Thèse de doctorat : Mécanique des Fluides : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 14 p.

Le problème de la caractérisation du transport conservatif d'un traceur est étudié dans les systèmes ou les conditions hydrodynamiques sont susceptibles de varier. L'approche utilisée est une approche dite système faisant référence à l'espace occupé par le traceur au cours de son transfert. La conception d'un modèle de transformation des réponses impulsionnelles, déterminées à partir de traçages artificiels, en fonction des conditions hydrodynamiques, permet d'obtenir la réponse en concentration d'un système à une entrée quelconque en masse. La méthode de transformation établie s'applique aux systèmes non stationnaires, mais linéaires. Elle nécessite également une indépendance entre l'espace occupé par le traceur au cours de son transfert et les conditions hydrodynamiques auxquelles ce dernier peut être soumis. Pour des systèmes à volume constant, des applications en colonnes ont montré les limites de la méthode de transformation des réponses impulsionnelles; ces dernières étant liées, en particulier, à des phénomènes de densité du traceur dans un tube uniquement rempli d'eau. En milieu crayeux granulaire, les phénomènes d'adsorption ou de diffusion matricielle de traceur sont des facteurs de non-linéarite qui limitent également les applications dans une gamme de débit relativement étroite. L'utilisation de la méthode de transformation, pour des traçages réalisés sur le système karstique de l'ouysse du causse de gramat (lot, france), a permis de montrer la validité d'applications pour des périodes hydrodynamiques différentes. On se gardera néanmoins pour les milieux karstiques, de généraliser les transformations à toute la gamme des débits auquel ce dernier peut être soumis. En effet, les conditions hydrodynamiques peuvent modifier les écoulements et par conséquent le systeme-tracage

Dans les zones cristallines semi-arides, les petits aquifères alluviaux sont des ressources hydrogéologiques limitées, mais importantes pour les populations rurales. La durabilité de leur disponibilité repose sur le développement de stratégies de gestion adaptées aux contraintes physiques mais aussi socioéconomiques locales. Sur un bassin versant situé dans la zone cristalline du Nordeste brésilien semi-aride, où l'utilisation des nappes alluviales s'est développée rapidement depuis 10 ans, a été mise en œuvre une double approche 1) physique afin de caractériser et proposer un modèle de fonctionnement hydrosalin de ces ressources traditionnellement peu étudiées, 2) socioéconomique pour caractériser les groupes d'usagers et les stratégies locales d'utilisation et de gestion des ressources en eau. L'étude s'appuie sur 6 ans de données (suivis et études de caractérisation des milieux physique et anthropique) et sur la construction de modèles de bilans hydrologiques et de masse au pas de temps mensuel qui ont permis de quantifier les termes des bilans de la nappe alluviale et de discuter les interactions avec les autres ressources en eau (aquifère de socle, retenues). Les hypothèses de fonctionnement hydrologique ont été testées avec un modèle spatialisé à base physique. Des scénarios d'évolution de l'exploitation des ressources ont été construits en tenant compte des principales contraintes internes (physiques et anthropiques) et externes (politiques publiques). L'impact de ces scénarios sur la disponibilité en eau (en termes de qualité et quantité) a été simulé à plus ou moins long terme ce qui a permis de montrer qu'une gestion intégrée amont/aval des ressources est bénéfique pour l'ensemble des usagers. Enfin, une méthode régionale de cartographie des petits aquifères alluviaux basée sur la télédétection est développée et permet d'évaluer le volume d'eau potentiellement exploitable sur un grand bassin versant.

La caractérisation de l'agencement spatial des propriétés hydrauliques est essentielle pour prédire les écoulements et le transport des solutés dans les milieux hétérogènes. Les méthodes de tomographie hydraulique, principalement développées pour estimer les propriétés des milieux poreux, n'ont qu'une faible résolution spatiale qui ne reflète pas la vraie hétérogénéité des distributions de fractures des milieux fracturés. Le principal objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode d'inversion spécifique pour imager les propriétés hydrauliques et de transport des milieux fracturés à l'échelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des expériences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modélisation inverse sont proposées, notamment en utilisant la température comme marqueur des écoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'écoulement basée sur des tests séquentiels de débimétrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caractériser la connectivité des fractures ainsi que leur transmissivité. À partir de simulations numériques reproduisant des cas d'études synthétiques, nous montrons que l'approche par tomographie réduit significativement l'incertitude sur les paramètres estimés, et fournit une caractérisation détaillée du réseau de fracture sans requérir à l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de température peuvent être utilisées pour quantifier les écoulements dans les milieux fracturés. Le grand intérêt d'utiliser la température est d'obtenir facilement et de façon continue en puits des profils de température. En utilisant un modèle numérique d'écoulement et de transfert de chaleur à l'échelle du puits, une méthode d'inversion pour estimer les vitesses d'écoulement dans le puits à partir des données de température est proposée. Nous couplons ensuite les deux approches présentées précédemment dans une nouvelle approche expérimentale consistant en des enregistrements séquentiels de température dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en température sur le site de Stang er Brune montre des résultats encourageants pour l'identification du réseau global de connectivité et des zones d'écoulement principales. Enfin, nous discutons de l'intérêt d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport à l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que réaliser des tests de traçage thermiques en milieu fracturé fournit des contraintes supplémentaires importantes sur les propriétés de transport du milieu. / The accurate characterization of distribution of hydraulic properties and connectivity distribution is essential to predict flow and transport in fractured media. Classical approaches were developed for homogeneous aquifers and result in smooth tomograms that often do not match true heterogeneity distribution of fractured media. The main goal of this thesis is to develop new inverse approaches specifically for imaging hydraulic and transport properties in fractured media at the field-scale. To attain this objective new in situ measurement methods as well as new inverse modelling frameworks are proposed.We first propose flow tomography (i.e., sequential cross-borehole flowmeter tests) as a new approach for characterizing fracture connectivity and transmissivities. Based on a discrete fracture network approach, we present a general method to invert flow tomography data. From synthetic case studies, we show that the tomographic approach reduces significantly the uncertainty on the parameter estimation. Flow tomography approach provides detailed characterization on fracture networks without the necessity of using packers. We then study the contribution of temperature measurements for quantifying flow in fractured media. The advantage of using temperature data is that temperature profiles can be obtained more easily and continuously in space, compared to flowmeter profiles. Using a numerical model of flow and heat transfer at the borehole scale, a method to invert temperature measurements to derive borehole flow velocities was proposed. We then couple the two previously proposed approaches in a new experimental approach which we call temperature tomography. This experiment consists of sequential borehole temperature logging under cross-borehole flow conditions. The full inverse framework is then presented to interpret temperature tomography experiments. Application of the temperature tomography approach to Stang er Brune field site showed encouraging results for the identification of general connectivity patterns and transmissivities of the main flowpaths. Finally, we explore the interest of using push-pull thermal tracer tests. Through field experiments and numerical modelling, we demonstrate that conducting push-pull heat tracer tests provide important constraints on the effective transport behavior.

La recharge de l'eau souterraine est un paramètre encore peu connu du bilan hydrologique. La connaissance des processus et l'estimation précise de la recharge de l'eau souterraine est une condition préalable à une gestion efficace et durable des eaux souterraines dans les régions arides et semi-arides. En plus la recharge de l'eau souterraine est considérée comme le paramètre le plus direct avec lequel le changement climatique peut affecter les ressources renouvelables des aquifères. Les présents travaux de thèse s'intéressent à la recharge de l'aquifère alluvial de la plaine du Haouz par les crues de l'oued Rheraya (rivière intermittente), qui descend des montagnes du Haut-Atlas et traverse la plaine du Haouz du sud vers le nord. Ces travaux ont deux objectifs principaux (i) d'abord simuler le régime hydrologique de l'oued Rheraya dont les crues sont à l'origine de la recharge de l'eau souterraine, et ensuite (ii) aborder la quantification de la recharge de l'eau souterraine du Haouz par ces crues dans la zone du piémont atlasique. La modélisation des débits de l'oued Rheraya dans le Haut-Atlas marocain (225 km², altitudes comprises entre 1030 m et 4165 m) est réalisée en prenant en compte la composante nivale. Pour cela, le modèle conceptuel global GR4J est appliqué sur la période 1989-2009 en y adjoignant le module CemaNeige qui simule la dynamique de la composante neigeuse de manière semi- distribuée. La fraction enneigée simulée se révèle corrélée avec celle extraite du produit neige MODIS durant la période 2000-2009 (R2 = 0,64). De plus, l'équivalent en eau de la neige simulé est cohérent avec celui mesuré par la station automatique au sommet de l'Oukaimeden durant la période 2004-2006 (R2 = 0,81). Enfin, nous obtenons une simulation des débits qui reproduit bien la très forte variabilité saisonnière et interannuelle. En conclusion, le régime hydrologique de l'oued Rheraya est pluvio-nival avec une distribution unimodale des débits dont le maximum en avril coïncide avec la fonte des neiges. L'étude de la recharge de l'eau souterraine est effectuée à travers l'analyse du suivi des fluctuations de l'eau souterraine sous le lit de l'oued Rheraya sur deux cycles hydrologiques 2014-2015 et 2015-2016.[...] / Groundwater recharge is a little known parameter in the water balance. Knowledge of processes and accurate estimation of groundwater recharge is a prerequisite for effective and sustainable management of groundwater resources. In addition, groundwater recharge is considered the most direct parameter by which climate change affects the renewable groundwater resources. The present PhD thesis focuses on the recharge of the alluvial aquifer of the Haouz plain by the floods of the Rheraya wadi (intermittent river), which descends from the High-Atlas Mountains and crosses the southern plain towards the North. This work has two main objectives: (i) simulating the hydrological regime of the Rheraya River whose floods are at the origin of the groundwater recharge, and (ii) Quantifying the groundwater recharge by the floods of the Rheraya in the zone of the High-Atlas piedmont. The runoff modeling of the Rheraya wadi in the High-Atlas (225 km², elevations ranging between 1030 and 4165 m.a.s.l.) takes into account the snow component. For this purpose, the GR4J conceptual and global model was applied over the period 1989- 2009, coupled with the CemaNeige module for semi-distributed snow dynamics. The daily snow coverage simulated by CemaNeige is in good agreement with that extracted from the MODIS snow product in the period 2000-2009 (R² = 0,64). In addition, the simulated daily snow water equivalent is consistent with that measured at the weather station of Oukaimeden (2004-2006, R² = 0,81). Finally, the runoff simulation reproduces quite well the strong seasonal and inter-annual variability. In conclusion, the hydrological regime of the Rheraya wadi is pluvio-nival with an unimodal distribution whose maximum in April is linked with snowmelt. The study of groundwater recharge is carried out through the analysis of the monitoring of groundwater fluctuations in the streambed of the Rheraya wadi, over two hydrological cycles 2014-2015 and 2015-2016.[...]

Les infrastructures de transport est essentielle au maintien et à l'expansion des activités sociales et économiques dans les régions circumpolaires. À mesure que le climat se réchauffe, la dégradation du pergélisol sous les remblais a entraîné de graves dommages structuraux à la route, entraînant une augmentation importante des coûts d'entretien et une réduction de la durée de vie des infrastructures. Pendant ce temps, l'advection de chaleur déclenchée par les écoulements d’eau souterrains peut altérer le bilan énergétique du remblai et du pergélisol sous-jacent et modifier le régime thermique des remblais routiers. Cependant, peu de recherches ont été effectuées pour comprendre la synergie entre les processus thermiques de surface et souterrains des remblais routiers des régions froides. L'objectif de cette recherche était de comprendre les interactions thermiques entre l'atmosphère, le remblai routier, les écoulements d’eau et le pergélisol dans le contexte du changement climatique. Cette base, de connaissances est nécessaire pour la conception technique, l'entretien des routes et l'évaluation de la vulnérabilité des infrastructures. Les travaux de recherche ont permis de développer de nouvelles méthodes d'analyse thermique pour caractériser et identifier le rôle de l'advection thermique sur le changement de température d'un remblai routier expérimental au Yukon (Canada) en termes d’intensité, de vitesse et de profondeur de l'impact thermique. Les résultats montrent que l'augmentation de la température due aux flux de chaleur advectifs déclenchés par l’écoulement d'eau peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus rapide qu'en raison du seul réchauffement atmosphérique. La recherche a ensuite présenté un bilan énergétique de surface pour quantifier la quantité d'énergie entrant dans le centre et la pente du remblai avec des épaisseurs et des propriétés de neige variables. Le tout a été appuyé par des observations géothermique de plusieurs années et une grande quantité de données météorologiques. Les résultats illustrent que le bilan énergétique de surface est principalement contrôlé par le rayonnement net et moins par le flux de chaleur sensible. Le flux de chaleur transmis à la pente du remblai diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur de la neige et diminue de façon linéaire avec l’installation du couvert de neige et la longueur de la période d’enneigement. De plus, un modèle de bilan énergétique de surface et un modèle cryohydrologique entièrement couplé ont été développés pour étudier l'impact thermique de l'advection de chaleur associée à l'écoulement de l'eau souterraine sur le dégel du pergélisol et le développement de taliks (c.-à-d. zone perpétuellement non gelée dans les zones de pergélisol). Le modèle couplé a réussi à reproduire la tendance à la hausse du plafond du pergélisol (erreur absolue moyenne <0,2 m) au cours de la période 1997-2018. Les résultats montrent que l'advection de chaleur a fourni une source d'énergie supplémentaire pour accélérer le dégel du pergélisol et a doublé le taux d’augmentation de l’épaisseur de la couche active 0,1 m·a-1 à 0,19 m·a-1, par rapport au scénario où aucun écoulement d'eau ne se produit. Le talik s'est initialement formé et développé en fonction du temps sous l’effet combiné des écoulement d’eau, de l'isolation de la neige, de la construction de la route et du réchauffement climatique. Le débit d'eau souterraine a relié des corps isolés de talik et a amené le remblai de la route dans un état thermique irréversible, en raison de la rétroaction de l'eau liquide (effet de chaleur latente) piégée dans le talik. Ces résultats montrent l'importance de l'advection de chaleur induite par l'écoulement d'eau sur le régime thermique de la sous-couche (c.-à-d. la couche de matériau de remblai) et du sous-sol (c.-à-d. le matériau natif sous un remblai) du remblai lorsque le remblai routier intercepte le drainage local. De plus, les résultats obtenus soulignent la nécessité de coupler les processus thermiques de surface et souterrains dans le but d'évaluer la stabilité thermique des routes subarctiques. / Transportation infrastructure is crucial to maintaining and expanding the social and economic activities in circumpolar regions. As the climate warms, degradation of the permafrost causes severe structural damages to the road embankment, leading to large increases in maintenance costs and reductions in its lifespan. Meanwhile, heat advection triggered by mobile water flow can alter energy balance of the embankment and underlying permafrost and modify the thermal regime of road embankments. However, little research has been done to understand the synergy between surface and subsurface thermal processes of cold region road embankments. The overall goal of this research was to elucidate thermal interactions between the atmosphere, the road embankment, mobile water flow, and permafrost within the context of climate change. This knowledge is needed for engineered design, road maintenance, and infrastructure vulnerability assessment. The research first used new thermal analysis to characterize and identify the role of heat advection on temperature change of an experimental road embankment, Yukon, Canada in terms of magnitude, rate and thermal impact depth. It shows that soil temperature increase due to advective heat fluxes triggered by mobile water flow can be up to two orders of magnitude faster than due to atmospheric warming only. The research then presented a novel surface energy balance to quantify the amount of ground heat flux entering the embankment center and slope with varying snow depth and properties, supported by multi-year thermal and meteorological observations. My results illustrate that the surface energy budget is mainly controlled by net radiation, and less by the sensible heat flux. The ground heat flux released at embankment slope exponentially decreased with the increase of snow depth, and was linearly reduced with earlier snow cover and longer snow-covered period. A fully integrated surface energy balance and cryohydrogeological model was implemented to investigate the thermal impact of heat advection associated with subsurface water flow on permafrost thaw and talik (i.e., perennially unfrozen zone in permafrost areas) development. The integrated model successfully reproduced the observed increasing trend of the active layer depth (mean absolute error < 0.2 m) over the 1997-2018 period. The results show that heat advection provided an additional energy source to expedite permafrost thaw, doubling the increasing rate of permafrost table depth from 0.1 m·a-1 to 0.19 m·a-1, compared with the scenario where no water flow occurs. Talik formation and development occurred over time under the combined effect of subsurface water flow, snow insulation, road construction and climate warming. Subsurface water flow connected isolated talik bodies and triggered an irreversible thermal state for the road embankment, due to a local feedback mechanism (latent heat effect) of trapped, unfrozen water in talik. These findings elucidate the importance of heat advection induced by mobile water flow on the thermal regime of embankment subbase (i.e., a layer of fill material) and subgrade (i.e., the native material under an embankment) when the road embankment intercepts the local drainage. Furthermore, the obtained results emphasize the need to couple surface and subsurface thermal processes to evaluate the thermal stability of sub-Arctic roads.

Cette étude s'intéresse, par l'utilisation de la cartographie, à l'évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines aux pollutions en particulier à la vulnérabilité intrinsèque des nappes libres. Dans cette optique, une étude bibliographique sur les méthodes d'estimation de la vulnérabilité des nappes a été menée. A partir de cette étude bibliographique on a trouvé que la méthode DRASTIC a été considérée comme la base de la plupart des études de vulnérabilité.<br>L'aquifère du Dogger convient tout-à-fait à une application des différentes méthodologies. En effet, grâce à son importance en tant que source d'eau potable et d'irrigation ainsi qu'à sa principale problématique qui est la vulnérabilité aux concentrations en nitrates (on peut la considérer comme une nappe très vulnérable aux pollutions superficielles, surtout aux surconcentrations en nitrates), une base de données à la fois volumineuse et diversifiée a été acquise sur plusieurs décennies de travaux de prospection, de suivi et d'exploitation. On peut retrouver ces données sous forme de fiches, de tableaux de cartes et de comptes-rendus.<br>Une description générale de la zone d'étude nous a permis de déterminer les paramètres disponibles dans cette aquifère afin de déterminer quelle méthode il convenait d'appliquer à cette nappe. Ainsi, une étude hydrogéochimique à été réalisée à partir d'une campagne de prélèvements et d'analyses chimiques des eaux souterraines. Ces analyses chimiques, en particulier les analyses des teneurs en nitrates, ont été utilisées pour valider les cartes de la vulnérabilité de l'aquifère du Dogger.<br>Donc, dans le but de cartographier la vulnérabilité de la nappe du Dogger dans le département de la Vienne, on a appliqué deux méthodes, et tout d'abord la méthode DRASTIC (Aller et al. 1987). La carte obtenue par cette méthode est mal corrélée avec la concentration en nitrates.<br>En effet cette méthode attribue un poids faible au sol dans le calcul de l'indice final et elle a complètement ignoré les rôles des activités agricoles. C'est pourquoi on a proposé une nouvelle méthode dévirée de la méthode DRASTIC. Cette seconde méthode est plus adaptée à la nappe libre localisée sous la surface d'une activité agricole très importante. En prenant en considération les neuf paramètres qui déterminent la sensibilité des sols à l'infiltration verticale et l'occupation du sol. La nouvelle carte a permis d'obtenir une meilleure corrélation entre les concentrations en nitrates mesurées et les zones vulnérables par rapport à la méthode originale.<br> Le système d'information géographique avec le logiciel Arc Map (10) a représenté un facteur très important pour réaliser ce projet. Ce SIG a permis de construire une base de toutes les données existantes "géologiques, hydrogéologiques, chimiques et les caractéristiques du sol". Cette base, d'une part permet de disposer pour l'aquifère du jurassique moyen dans la zone d'interfluve Clain-Vienne, des couches d'informations complètes qui pourraient être une référence pour plusieurs études hydrogéologiques. D'autre part, le SIG a été très précieux dans le domaine de la protection et de la gestion des nappes. Il a pu faciliter l'application des méthodes d'estimation de la vulnérabilité, grâce à ses outils (coupage, superposition, méthode d'interpolation, calcul mathématique) qui permettent de traiter un grand nombre des données en superposant toutes les cartes de chaque facteur sur un support de même taille, ainsi que d'intégrer et combiner ces cartes. Nous pouvons à l'aide de tous ces outils, calculer les indices finaux et produire une carte finale de la vulnérabilité qui devient elle-même un outil facile de comparaison avec les teneurs en nitrates afin de valider les résultats. / The main objective of this PhD thesis is the optimization of a novel approach to estimate groundwater vulnerability using both the DRASTIC model and soil infiltration sensitivity. The model will be then applied to the Dogger aquifer of Poitiers, Center West France; to delineate areas that are more susceptible to contamination from anthropogenic sources. This is an important element for sensible resource management and land use planning.<br>Poitou-Charentes, located in the Center-West of France, is a region where economy is mainly based on agriculture. It is made up of 4 Departments (Vienne, Charente, Charente Maritime, Deux-Sèvres) and is largely supplied by groundwater, both for consumption and irrigation. This resources thus vital to the region and its preservation is a major issue. The objective of this study is the determination of the roundwater quality in the Dogger aquifer of Poitiers (Vienne Department), which is the main water resource for his area in order to achieve a better understanding of the factors influencing groundwater mineralization. Sixty-six wells, distributed over the study area, were sampled and analyzed for major ions (Ca2+, M2+, Na+, K+, HCO3-, Cl-, SO42-, NO3-). The hydrochemistry of groundwater is determined by both natural processes, and anthropogenic factors. Natural factors are dissolution of carbonate and dolomite minerals, and cation exchanges with clays, while anthropogenic factors are contaminant infiltration of wastewater and agricultural fertilizers. Nitrate is the main contaminant found in the groundwater and makes this resource unsuitable for consumption at some places.<br>This study focuses, by the use of mapping, on the assessment of the vulnerability of groundwater to pollution in particular to the intrinsic vulnerability of unconfined aquifers. The DRASTIC method was considered the most basic vulnerability studies.<br>In this study, we intend initially to implement the DRASTIC model, as it was developed by US-EPA. The results of application of DRASTIC will be discussed and validated against available knowledge on Dogger groundwater quality, and in particular nitrate levels. Secondly, the development of a new approach will be developed based on a combination of DRASTIC model and a concept recently developed by the Chamber of Agriculture of Vienne soil susceptibility to infiltration. The results showed that this new approach results in a vulnerability assessment of the aquifer is entirely consistent with the state of contamination of the well and integrates all the parameters (risk parameters intrinsic parameters) involved in transferring pollutants from the soil surface to the well.<br>