Les aménagements hydrauliques du Rhin ont fortement modifié le fonctionnement hydrologique des zones alluviales et provoqué la déconnexion de la plupart des bras du Rhin et des forêts alluviales. Des opérations de ré-inondation des secteurs déconnectés du fleuve ont été menées dans un objectif à la fois de rétention de crue et de submersion écologique qui devraient permettre à ces zones de retrouver tout ou partie de leur fonctionnalité. Le polder d’Erstein est un secteur forestier expérimental pour le suivi de l’impact des ré-inondations des zones alluviales. Les inondations du polder par les eaux de Rhin sont susceptibles d’en modifier le fonctionnement hydrologique (écoulements de surface, échanges nappe-rivière, recharge de la nappe …). L’objectif général de ces recherches est l’analyse et la quantification des transferts hydriques dans un aquifère poreux dans un contexte de ré-inondation. Pour ce faire nous avons réalisé des simulations numériques de l’écoulement à l’aide du code de calcul Feflow (Finite element subsurface flow system), qui ont été validées par les données hydrogéologiques mesurées in situ. Ce travail est organisé en cinq volets. Le point de départ est un état de l’art du fonctionnement, de la structure des zones alluviales et des mécanismes du transfert hydrique dans ces zones. La deuxième partie, fournit une présentation détaillée du site expérimental sur lequel une mission de suivi scientifique a débuté en 2003 et ainsi fourni une importante base de données hydrologiques (eaux de surface et eaux souterraines). Ces données ont servi à caractériser les écoulements d’eau en zone non saturée. La troisième partie est consacrée à la construction du modèle hydrodynamique. Compte tenu de l’importance du réseau des anciens bras du Rhin alimentées par la nappe existant à l’intérieur du polder, la question des échanges cours d’eau-nappe a été abordée. Hormis la recharge de la nappe par les cours d’eau, une part importante de l’infiltration d’eau depuis la surface du sol lors des inondations contribue à la recharge. Pour quantifier cette part, nous avons développé une approche pédologique originale afin de caractériser les hétérogénéités des sols par des paramètres hydrodynamiques. Ces hétérogénéités qui varient spatialement sur le polder ont une influence significative sur les flux verticaux et les temps de résidence de l’eau dans la zone non saturée. Les résultats obtenus en 1D ont ensuite été appliqués à toute la superficie du polder d’Erstein avec l’objectif de quantifier l’ensemble des écoulements à cette échelle. Différents scénarios d’hétérogénéité proposés se fondent sur une complexification de la structure de l’aquifère poreux, afin d’évaluer l’impact des hétérogénéités du sol sur le transfert hydrique dans le polder d’Erstein. / The hydraulic management of the Rhine has drastically modified the hydrological functioning of alluvial zones and caused the disconnection of most side-channels of the Rhine and alluvial forests. The re-flooding restoration works of the disconnected sectors are planned with objective of both the retention of flood and of ecological flooding which should allow these zones to recover all or part of their functionality.The Erstein polder is a forested experimental area for monitoring the impact of the alluvial zones re-flooding. The flooding of the Rhine plain may modify its hydrological functioning in terms of runoff, groundwater-river exchanges and groundwater recharge. Our general objective is to analyze and quantify water flux in an unsaturated porous aquifer. Therefore, based on the given hydraulic and hydrogeological conditions of the study site, we performed numerical flow simulations using the finite element model Feflow 5.3.This work is structured in five chapters. The starting point is a state of the art about the functioning and the structure of alluvial zones and the mechanisms of water flux in these areas. The second chapter presents the experimental site. A scientific monitoring mission has been implemented on the polder site and an extensive data base of hydrological measurements (surface and groundwater) was created. This data base was used to characterize the water flux in the unsaturated zone. The third chapter is devoted to the construction of the hydrodynamic model. Given the importance of the side channels network supplied by the existing groundwater inside the polder, the water exchange between surface water and groundwater was discussed. Apart from the groundwater recharge by streams, a significant infiltration of water from the soil surface during flooding contributes to groundwater recharge. To quantify this part, we developed an original approach in order to characterize the heterogeneities of soils using hydrodynamic model parameters. These heterogeneities that vary spatially on the polder have a significant influence on the vertical flow and the residence time of water from the ground surface to the groundwater. The results obtained in 1D were then used to model the influence of soil heterogeneities of the entire area of the study site on water infiltration during inundation event and groundwater recharge. Different scenarios of heterogeneity were used to render the structure of the porous aquifer progressively more complex in order to evaluate the impact of the heterogeneities on water flux in the vadose zone of the Erstein polder.

Η περιοχή μελέτης εκτείνεται στο βόρειο και παραλιακό τμήμα του νομού Κορινθίας μεταξύ των πόλεων Κιάτου και Κορίνθου και καταλαμβάνει έκταση 65km2. Η νέα εθνική οδός Κορίνθου – Πατρών αποτελεί το νότιο όριο της περιοχής ενώ προς βορρά περιορίζεται από τον Κορινθιακό κόλπο. Το τοπογραφικό ανάγλυφο είναι ήπιο με το υψόμετρο να κυμαίνεται από 0 – 50 μέτρα. Ο ποταμός Ασσωπός και οι χείμαρροι Ραχιάνης και Ζαπάντης δομούν το υδρογραφικό δίκτυο της περιοχής. Το γεωλογικό υπόβαθρο της περιοχής αποτελείται από ανθρακικά ιζήματα των ζωνών Τρίπολης και Πίνδου, των οποίων υπέρκεινται μετα-ορογεντικά ιζήματα Πλειο-πλειστοκαινικής ηλικίας. Ο υδροφόρος ορίζοντας που μελετήθηκε αναπτύσσεται σε αλλουβιακά ιζήματα, κυρίως άμμους, κροκάλες, λατύπες, και λεπτομερή αργιλοαμμώδη και πηλοαμμώδη ιζήματα που εμφανίζουν υψηλό βαθμό ετερογένειας. Το πάχος του υδροφόρου κυμαίνεται από λίγα μέτρα έως 60 m και χαρακτηρίζεται ως ελεύθερος. Η ρηξιγενής ζώνη που εμφανίζεται κατά μήκος της Ν.Ε.Ο. Κορίνθου – Πατρών αποτελεί υδρογεωλογικό όριο προς νότο για τον υπό μελέτη υδροφόρο. Η εμφάνιση μαργών στην περιοχή του Κιάτου είναι το δυτικό υδρογεωλογικό όριο, ενώ ανατολικά περιορίζεται από την επέκταση των Τυρρήνιων αναβαθμίδων στη θάλασσα. Η κύρια τροφοδοσία του υδροφόρου προέρχεται από τη διήθηση των επιφανειακών υδάτων του ποταμού Ασωπού και των παρακείμενων χειμάρρων, ενώ κατά δεύτερο λόγω από την απευθείας κατείσδυση των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων. Για την προσομοίωση της υπόγειας ροής του αλλουβιακού υδροφόρου έγινε χρήση του κώδικα MODFLOW της USGS. Από την εφαρμογή του μοντέλου εξήχθησαν ικανοποιητικά αποτελέσματα που έδωσαν τη δυνατότητα υπολογισμού ενός αξιόπιστου ισοζυγίου, το οποίο μπορεί να αποτελέσει ένα εργαλείο στην εφαρμογή ενός σχεδίου ορθολογικής διαχείρισης των υδατικών πόρων της Κορινθίας. Για την υδροχημική έρευνα χρησιμοποιήθηκε πυκνό δίκτυο δειγματοληψίας νερού σε 35 υδροσημεία της περιοχής μελέτης. Ο υδροφόρος έχει επηρεαστεί από φαινόμενα υφαλμύρινσης και ανταλλαγής ιόντων κυρίως στις βόρειες παράκτιες ζώνες. Οι συγκεντρώσεις των NO3-, NH4+ και των SO4-2 ιόντων παρουσιάζονται υψηλότερες από τα ανώτατα επιτρεπόμενα όρια ποσιμότητας. Η εφαρμογή της παραγοντικής ανάλυσης ανέδειξε τις παραπάνω υδροχημικές διεργασίες. / The study area forms the northern coastal part of Corinth’s prefecture, between the towns of Kiato and Corinth and has an area extend of 65 km2. To the south it is bounded by Athens - Patras National road, whilst to the north it is bounded by Corinthian Gulf. The topographic relief is quite gentle and varies from 0 to 50 m. A considerable hydrographic network develops across the studied region and is represented mainly by the river Asopos and the less important torrents Rachianis and Zapantis. The region can be characterized as an agro tourism center. The land is used mainly for the cultivation and of citrus fruits, olives, apricots and vineyards. Regional environment is subject to numerous pressures most important of which are intensified uses of land and water resources. Water demands have considerably increased over the last 15 years and mainly are covered by groundwater abstract from the alluvial aquifer system. The geological bedrock of the study area consists of the carbonate sediments of Tripolis and Pindos isopics zones and a transitional zone between Pindos and Pelagonial Zone. The plain north of the national zone is covered by post orogenetic sediments of Pliocene to Holocene age which unconformably overlay the bedrock formations. The studied aquifer is formed of recent unconsolidated material consisting of sands, pebbles, breccias and fine clay to silty sand deposits, characterized by high degree of heterogeneity and anisotropy. The thickness of the aquifer varies from a few meters to 40 m. From a hydrogeological point of view the system consists of an unconfined phreatic aquifer. A fault zone along the national highway delineates the southern edge of aquifer system, which is bounded by the Gulf of Corinth to the north. To the east, the system is bounded by the Tyrrhenian deposits extended to the sea. The marl series which, as an entity, is considered an aquitard, slopes to the north and forms the bedrock of the studied coastal alluvial aquifer system. The basic recharge of the phreatic aquifer is from the fluviotorrential deposits, especially those of the Asopos River and also from the Tyrrhenian deposits across the southern edge of the basin. In addition to that the aquifer recharged from direct infiltration of precipitation and river bed indirect infiltration. The simulation of ground water flow of the alluvial aquifer is based on the MODFLOW model of the USGS. The application of the mathematical model had very satisfactory results which is a reliable hydrogeological balance. Estimation of hydraulic conductivity distribution was optimized by using trial and error inverse method. The ground water hydrochemical study was carried out, by an extensive network of 35 samples. The use of inorganic fertilizers in cultivations has a great pollution effect in ground water. The coastal aquifer has been affected, by sea water intrusion and as a result catio-exchange phenomena took plase along the coastline mainly at Lechaio area. The concentration of NO3- , NH4+, and SO4- ions are higher than the maximum allowed drinking limits. The application of R-mode factor analysis helped to delineate the major hydrochemical process of the area.

Dans un champ captant, comme celui qui alimente l'agglomération lyonnaise, le fonctionnement de chaque « objet » (bassins d'infiltration, puits, rivières, nappe, zone non saturée) et leurs interactions sont complexes et mal connus. Dans un premier temps, une série d'essais d'infiltration à différentes échelles dans un bassin artificiel de réalimentation a permis de mieux appréhender le fonctionnement de cet ouvrage et de chiffrer les paramètres hydrodynamiques de la zone non saturée. Les résultats des interprétations par méthodes numériques fondées sur l'équation de Richards ont montré que les flux infiltrés dans les bassins dépendent principalement de la conductivité hydraulique à saturation d'une couche située directement sous le sable calibré couvrant le fond du bassin, identifiée comme étant moins perméable que la nappe. Cette couche conditionne l'existence d'une zone non saturée. La réalisation d'essais de pompage dans l'aquifère sur les forages d'exploitation et sur un dispositif spécialement mis en place durant ce travail a permis de déterminer les paramètres hydrodynamiques de la nappe. Une analyse des observations et une modélisation conceptuelle en 2D, puis en 3D ont permis d'identifier les mécanismes prépondérants (stratifications, apports et prélèvements) et de simuler correctement à la fois les flux infiltrés dans un des bassins d'infiltration et la remontée de la nappe. A l'échelle d'un bassin, les flux infiltrés sont variables dans le temps, ils dépendent de l'état de colmatage de la surface d'infiltration mais également de la température de l'eau infiltrée et de l'état hydrique initial du sol sous le bassin. Les analyses de sensibilité réalisées avec les modèles mis en place indiquent que la conductivité hydraulique à saturation de l'aquifère, mais également la proximité des conditions aux limites imposées dans la nappe (les rivières et les puits de pompage) influencent de manière prépondérante la remontée de la nappe. Une modélisation 3D d'un autre secteur du champ captant comprenant deux bassins d'infiltration, deux bras de rivière ainsi que des puits de pompage a été réalisée. La condition à la limite imposée sur les rivières est du troisième type en accord avec l'observation d'un sous-écoulement en nappe. Les échanges nappe/rivières sont calés sur des observations à partir d'une chronique de propagation d'une onde de crue dans la nappe. Des piézomètres en flûte de pan, spécifiquement implantés à proximité d'un bassin, ont permis d'observer des différences de charge hydraulique fortes à différents niveaux de l'aquifère lorsque le bassin d'infiltration est en eau. La modélisation 3D est conforme à ces observations. Elle a confirmé l'importance du rôle d'une hétérogénéité de type argilo-sableuse (de conductivité hydraulique à saturation inférieure aux autres lithologies présentes dans l'aquifère) dans les écoulements (direction et flux). Le modèle développé représente correctement les flux infiltrés via les bassins ainsi que les fluctuations de la piézométrie de la nappe. Il permet de vérifier l'inversion des écoulements par rapport aux infiltrations de la rivière, d'identifier les puits alimentés par les bassins d'infiltration et également de mettre en évidence les flux de nappe passant sous la rivière. / In a well field of the Lyon metropolitan area, designed for drinking water supply, behaviour of each object (infiltration basins, wells, rivers, aquifer, and unsaturated zone) and their interactions are complex and not well-known. As a first step, infiltration tests at different spatial scales in one artificial basin were performed to better understand the basin operation and to estimate the hydrodynamic parameters of the unsaturated zone. Results of interpretation, using numerical methods based on Richards equation, reveal that infiltrated basin fluxes mainly depend on saturated hydraulic conductivity of a layer located just below the calibrated sand layer that cover the basin bottom. Indeed this layer has been estimated to be less permeable than the aquifer, which allows the existence of the unsaturated zone below. Pumping tests in the groundwater have been performed using production wells and a well specially implemented during this thesis work in order to estimate aquifer hydrodynamic parameters. Observations analysis and a conceptual modelling, in 2D and then in 3D, lead to a better understanding of the controlling mechanisms (stratification, input and output) and to simulate both basin infiltration rates and water table rise. Considering the whole basin scale, input fluxes are transient, related to the clogging statement of the infiltration area but also to the temperature of inflow water and the initial statement of the soil just below the basin. Sensibility analyses using the models highlight that the amount of the water table rise is mainly influenced by the aquifer saturated hydraulic conductivity and also by the location of imposed boundaries in the aquifer (rivers and pumping wells). The model properly accounts basin inflow fluxes and water table fluctuations. The model is able to verify if flows are reversed in relation to river exchanges, if wells are fed by infiltration basins and it highlights aquifer flows below the river. A 3D modelling has been realised in another area of the well field, comprising two infiltration basins, two river arms and pumping wells. In agreement with underflow in the aquifer, rivers are imposed in the model as third kind boundary conditions. Aquifer and river exchanges are calibrated with observed data of one aquifer flood-wave propagation. Significant differences of hydraulic heads have been observed at different depths of the aquifer using panpipes piezometers, specifically implemented, close to one infiltration basin. Theses differences are closely related to basin operation. These observations are properly calculated by the 3D model. Using the model, the effect of one sandy-clay heterogeneous layer (whose saturated hydraulic conductivity is lower than the ones of other aquifer lithologies) on aquifer flows (direction and flux) is notable. The model properly accounts basin inflow fluxes and water table fluctuations. The model is able to verify if flows are reversed in relation to river exchanges, if wells are fed by infiltration basins and it highlights aquifer flow below the river.