Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont complexes et jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des hydrosystèmes, tant en termes quantitatifs que qualitatifs. Ces deux compartiments interagissent à travers différentes interfaces emboitées depuis l’échelle locale, notamment la zone d’interface rivière-nappe, appelée zone hyporhéique (ZH) jusqu’à l’échelle régionale. La ZH se définit comme un buffer entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Les variations des flux d’eau et de chaleur au niveau de cette zone modulent les processus biogéochimiques. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension du régime thermique et hydrologique de la ZH et de sa variation spatiale. Cette problématique est abordée par l’utilisation de stations de mesures haute fréquence des échanges nappe-rivière (MOLONARI) sur le bassin des Avenelles (sous bassin de la Seine (46 km2)) et de la modélisation. Le suivi haute fréquence a permis de réaliser une analyse des données expérimentales présentant le régime hydro-climatique du bassin ainsi que l’évolution spatiale et temporelle du fonctionnement des différents compartiments de l’hydrosystème. Un cas synthétique a été réalisé afin de caractériser les différents facteurs contrôlant le régime thermique de l’interface nappe rivière et la variation de stocks d’énergie au sein de la ZH. La démarche de modélisation suivie pour le cas synthétique fournit un cadre d’analyse des données des cinq stations MOLONARI. Les données acquises sur ces stations ont été utilisées afin de déterminer les propriétés hydrodynamiques et thermiques de la ZH ainsi que des couches géologiques sous-jacentes par inversion à l’aide du modèle METIS couplé à un script de balayage de l’espace des paramètres afin de quantifier les flux d’eau et de chaleur à l’interface nappe-rivière le long d'un corridor hydraulique. Les résultats du modèle mettent en lumière la variabilité spatio-temporelle des échanges de chaleur au niveau des cinq stations MOLONARI. La quantification des flux de chaleur a fourni un nouvel éclairage des interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines à l’interface nappe-rivière du bassin des Avenelles. / The river-aquifer interactions are complex and play a preponderant role in hydrosystems functioning, in both qualitative and quantitative terms. These two compartments interact through various nested interfaces from the local scale in particular the river aquifer interface called the Hyporheic Zone (HZ) to the regional scale. The HZ acts as a buffer between the stream and the groundwater. The water and heat fluxes variation at this zone modulates the biogeochemical processes.The aim of this thesis, is to improve the understanding of the thermal and hydrological regime of the HZ and its spatial variation. This problem is approached by the use of high frequency measurement stations of river-aquifer exchanges (LOMOS) in the Avenelles basin (sub-basin of the Seine basin (46 km2)) and by modeling. The high frequency monitoring allowed to realize an analysis of the experimental data characterizing the hydroclimatic regime of the Avenelles basin as well as the spatial and temporal evolution of the hydrosystem various compartments functioning.A synthetic case was realized to characterize the main factors controlling the thermal regime at the river aquifer interface and the energy storage variation within the ZH. The modeling approach followed by the synthetic case provides an analysis framework of the five LOMOS data.The acquired LOMOS data were used to determine the hydrogeological and thermal properties of the HZ and of the underlying aquifers by inversion by means of a 2D finite element thermo-hydrogeological model (METIS) coupled with a parameters screening script to quantify water and heat fluxes through the stream – aquifer interface over along the stream network.The model results highlight the spatiotemporal variability of the heat exchanges at the five LOMOS. The quantification of heat fluxes provided a new lighting of the stream-aquifer interactions of the Avenelles basin.

Cette thèse s'intéresse à la modélisation de la contamination nitrique de la nappe des calcaires de Champigny, ressource stratégique pour l'alimentation en eau potable de l'Île-de-France et pour laquelle plusieurs champs captants ont été identifiés comme prioritaires. Le couplage d'un modèle agronomique STICS et d'un modèle hydrogéologique MODCOU permet de modéliser le transfert des nitrates résultant des pratiques agricoles à travers l'hydrosystème.La mise en place de MODCOU sur la zone d'étude a nécessité d'apporter des modifications au logiciel afin de représenter le fonctionnement de l'hydrosystème comportant des singularités hydrogéologiques. L'application du modèle entre 1971 et 2011 a montré l'importance des échanges nappes-rivières dans le fonctionnement de la nappe et particulièrement sur les bassins d'alimentation des captages (BAC) prioritaires, préalablement identifiés lors d'études antérieures. Pour prendre en compte ces échanges dans la modélisation de la contamination nitrique, un module évaluant les concentrations en rivières par bassin versant a été développé et permet de reproduire l'évolution de la contamination du passé à l'actuel et de réaliser par la suite des scénarios prospectifs.Le développement d'une méthodologie spécifique a permis d'identifier les zones les plus contributives à l'alimentation des captages. Elles se révèlent être situées essentiellement le long des cours d'eaux et représentent un peu moins de la moitié de la superficie des BAC. La mise en rapport des zones d'alimentation principale et de la rapidité du transfert permet de déterminer les zones d'actions prioritaires les plus pertinentes sur lesquelles des mesures de protection pourraient être plus spécifiquement appliquées / This thesis focuses on modelling of the nitrogenous contamination in Champigny's limestone aquifer. This groundwater is a strategic resource for Ile-de-France drinking water supply where several well-fields have been identified as a priority. The coupling of an agronomic model (STICS) and a hydrogeological model (MODCOU) enables to simulate the transfer of nitrates through the hydrosystem resulting from agricultural practices.The implementation of MODCOU on the study area has required improvement of the software for better representing distinctive features of the hydrosystem. The application of this model from 1971 to 2011 shows the importance of exchanges between rivers and aquifers in order to capture aquifer functioning and particularly the behaviour of the well field's water supply basins identified in previous studies. To integrate these exchanges in the modelling of nitrogenous contamination, a module assessing concentrations in rivers has been developed for each catchment and enables to reproduce the evolution of contamination from the past to the present and subsequently realize forward-looking scenarios.The development of a specific methodology enabled to identify the most contributory areas for well-field supply. Results show that these areas are located essentially along streams and represent a little less than half of the area of the well field's water supply basins. The linking between the main recharge area and the transfer velocity enables to determine the most relevant priority action areas on which protective measures could be more specifically applied.

Les interactions entre les processus de surface et de sub-surface sont des composantes clés du cycle hydrologique que les modèles hydrologiques doivent représenter pour obtenir des prédictions cohérentes et précises dans un contexte de gestion durable de la ressource en eau. Les modèles hydrologiques intégrés qui décrivent de façon physique les processus et leurs interactions sont de conception récente. La plupart de ces modèles s‘appuient sur l’équation de Richards 3D pour décrire les processus d’écoulement souterrain. Cette approche peut être problématique compte tenu de contraintes importantes sur le maillage et sur la résolution numérique. Ce travail de thèse propose un modèle hydrologique intégré qui s’appuie sur approche innovante à dimension réduite pour simplifier les écoulements de surface et souterrains d'un bassin versant. Les différents compartiments du modèle sont d’abord testés indépendamment puis couplés. Les résultats montrent que l’approche proposée décrit précisément les processus hydrologiques considérés tout en améliorant de façon significative l’efficacité générale du modèle. / Interactions between surface and subsurface flow processes are key components of the hydrological water cycle. Accounting for these interactions in hydrological modelsis mandatory to provide relevant and accurate predictions for water quality and water resources management. Fully-integrated hydrological models that describe with aphysical meaning the hydrological processes and their interactions are recent. Most of these models rely upon the resolution of a 3D Richards equation to describe subsurface flow processes. This approach may become intractable because of the heavy constrains on both meshing and numerical resolution. This PhD proposes a new integrated hydrological model on the idea of dealing with dimensionally reduced flow in both the surface and sub-surface compartments of a watershed. The different compartments of the model are first tested independently and then coupled. The results show that the proposed approach allows for a proper and precise depiction ofthe hydrological processes enclosed in the model while providing significant gain incomputational efficiency.