Le thème principal de mon travail de recherche est le développement et l'application d'outils de simulation des flux d'eau, de masse et d'énergie dans les structures aquifères. J'ai donc choisi de donner des éléments de réponse à deux questions très fondamentales: qu'y a-t-il dans un outil de simulation et à quoi cela sert-il ? Le fil conducteur de ce mémoire d'HDR est double: - D'une part, l'aller-retour entre les besoins nés de la modélisation d'un problème concret et la recherche des techniques numériques les plus adaptées en termes d'efficacité mais aussi de parcimonie (recherche de l'approche la plus simple possible) - D'autre part, l'illustration de la compréhension accrue des mécanismes d'écoulement dans les structures aquifères permise par la modélisation. Dans le souci d'identifier les méthodes numériques les plus performantes, j'ai été amené à développer et à tester différentes approches, avec des succès inégaux. Il me semble que cette expérience peut présenter une certaine utilité pour un modélisateur; c'est pourquoi j'en ai développé quelques aspects dans la première partie de ce mémoire. Trois problèmes sont abordés: - La simulation de fronts abrupts lors de la résolution de l'équation de la dispersion, pour lesquelles sont discutées principalement une discrétisation en Eléments Spectraux, une approche aux Eléments Finis discontinus et une approche ELLAM (Eulerian Lagrangian Localized Adjoint Method) - La simulation de l'écoulement (équation de la diffusivité) dans des milieux présentant des propriétés de perméabilité très fortement variables dans l'espace: une méthode de résolution par cycles multigrilles a été développée - L'immersion de domaines poreux finement discrétisés, ou encore de domaines fracturés schématisés par un Réseau de Fractures Discrètes, dans un modèle d'écoulement régional: deux solutions sont proposées, l'une faisant appel à la méthode des Eléments Frontières, l'autre à une discrétisation en Eléments Finis. Dans une deuxième partie, j'évoque mes travaux en matière de développement logiciel, entre autres le développement du code de simulation METIS, qui représente l'écoulement et le transport de masse et d'énergie en milieu poreux et / ou fracturé. Ceci me permet d'illustrer sur quelques exemples comment les outils de simulation s'ajustent pour offrir au modélisateur des fonctionnalités spécifiques qui rendent plus aisée la mise en place d'une modélisation ou qui enrichissent les informations que l'on peut en tirer. Les outils que j'ai développés ont été utilisés pour des applications variées, allant de problèmes d'ingénierie très concrets comme la description des écoulements à travers une digue vers des problèmes plus "amont" comme la circulation de traceurs naturels dans les grandes structures aquifères. J'ai choisi de présenter certaines de ces applications, en sélectionnant celles qui reposaient sur un support expérimental, ce qui me permet d'illustrer la démarche de modélisation depuis l'analyse des données jusqu'à la simulation. C'est l'objet de la troisième partie de ce mémoire. Une première série d'exemples concerne la simulation du transport de traceurs naturels (gaz rares en particulier) dans deux grands bassins sédimentaires (Bassin Parisien et Système aquifère du Carrizo aux USA). Ces exemples montrent comment la modélisation des traceurs naturels permet d'aider à lever les indéterminations existant sur les paramètres d'écoulement (perméabilité), et d'améliorer ainsi la connaissance des flux d'eau. Les traceurs naturels sont également utilisés pour déterminer l'âge des eaux, ce qui ouvre la possibilité de reconstitutions paléoclimatiques. Le second exemple concerne l'évaluation des débits de fuite à travers les géomembranes disposées au fond des installations de stockage de déchets. Ceci impose entre autres de décrire l'écoulement de fluide dans un système composé pour partie de matériaux naturels et pour partie de matériaux artificiels. Un élément déterminant dans la géométrie des écoulements est l'espace mince qui sépare le terrain d'accueil de la géomembrane. Ce travail s'appuie sur un support expérimental important développé au CEMAGREF,et sur une modélisation grâce au code METIS.

Dans le cadre du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine), la haute vallée de l'Ouémé (centre ouest du Bénin), d'une superficie de 10.000 km2, est instrumentée (pluie, débit) depuis 1997. Le sous-bassin de la Donga (586 km2) est le cadre d'observations intensives précisant les processus hydrologiques essentiels et quantifiant les termes du bilan.<br />La recherche entreprise vise (i) à déterminer le fonctionnement hydrologique du bassin de la Donga par confrontation des données de précipitation, d'écoulement de surface, de nappe et d'évapotranspiration potentielle, (ii) à caractériser les écoulements par traçage naturel géochimique (paramètres physiques, éléments majeurs et traces) et isotopique (isotopes stables de l'eau : d18O et d2H) afin de hiérarchiser les processus majeurs mis en jeu. Le croisement des informations hydrodynamiques et hydrogéochimiques permet de reconstituer un schéma cohérent du fonctionnement hydrologique sur le bassin. Le caractère temporaire des eaux de surface, l'asynchronisme entre le tarissement des rivières et la vidange des nappes ainsi que la très faible minéralisation des écoulements traduisent une origine superficielle des débits et une déconnexion apparente de la nappe libre du réseau hydrographique.<br />En accord avec les processus mis en évidence, une décomposition de l'hydrogramme en deux composantes (ruissellement rapide sur surface saturée et flux de subsurface) a été retenue pour 2003 et 2004, deux années à pluviométrie et écoulement contrastés.

L'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire a sélectionné le massif de Tournemire (Aveyron) pour installer sa station expérimentale dans le cadre de ses recherches sur les capacités de confinement des milieux argileux pour le stockage de déchets radioactifs. Compte tenu des très faibles teneur en eau et perméabilité des couches argileuses des argilites, la migration dans ce milieu devrait être très faible. L'écoulement et le transport ont été étudiés en utilisant des traceurs naturels de la solution interstitielle.<br /><br />Après le développement d'un nouveau protocole pour l'extraction du chlorure de l'eau porale et des tests sur la méthode de distillation sous vide de la roche pour la mesure du deutérium de l'eau porale, l'acquisition de données pour ces deux traceurs (étudiés pour leur comportement géochimique conservatif) a été effectuée sur la séquence géologique du massif et à proximité des fractures. Les profils de données obtenus suggèrent que le processus majeur de transferts dans le massif soit la diffusion moléculaire mais ils montrent un enrichissement en ?D et ?18O de la solution interstitielle, jusqu'à un mètre à proximité des fractures, comparé à l'eau porale dans la matrice au-delà de cette zone. Ces observations suggèrent qu'un second processus de transport puisse générer des transferts spécifiques à proximité des fractures.<br /><br />L'hypothèse du processus de diffusion moléculaire à l'échelle du massif a été testée par un modèle de transport, sur une période de plusieurs dizaines de millions d'années, en prenant en compte les caractéristiques géodynamiques de la région (telles que la tectonique et la fracturation induite), et en proposant des scénarios de variations des concentrations de traceurs aux limites du système pour représenter les changements climatiques majeurs. Les transferts de traceurs dans le massif, principalement diffusifs, sont ou ont pu être affectés par un second processus engendrant l'hétérogénéité des concentrations à proximité des fractures. Ce processus implique soit une intrusion de solutions salées, soit des transferts internes au massif dus à des surpressions.

La compréhension du fonctionnement des aquifères karstiques est un enjeu considérable au vu des structures complexes de ces réservoirs. La forte hétérogénéité des écoulements induit une grande vulnérabilité de ces milieux et des comportements variés au cours des crues en lien avec différents processus de recharge. Dans le Massif du Jura, les aquifères karstiques constituent la principale ressource en eau potable et posent la question de leur rôle dans la dégradation de la qualité de l'eau observée depuis plusieurs décennies. Cette thèse propose différentes approches complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues dans ces aquifères sous diverses conditions hydrologiques. Plusieurs systèmes karstiques du Massif du Jura, présentant des dimensions variables et dominés par des mécanismes de recharges distincts, sont caractérisés à partir de suivis physico-chimiques et hydrochimiques détaillés.Tout d'abord, les différents systèmes sont comparés à l'échelle du cycle hydrologique et à l'échelle saisonnière afin d'identifier les processus de recharge dominants (infiltrations localisées et/ou diffuses) ainsi que les signatures hydrochimiques caractéristiques (arrivées allochtones, autochtones et/ou anthropiques). Une étude comparative de deux systèmes met en avant la forte variabilité saisonnière de la réponse hydrochimique sur un système marqué par une recharge localisée importante. Les différents systèmes sont ensuite analysés à une échelle de temps plus fine afin de mieux comprendre les dynamiques de crues. Une crue intense d'automne a été ainsi comparée à de plus petites crues précédées par des périodes d'étiages importantes et marquées par des signatures hydrochimiques anthropiques significatives. A partir de ces résultats, la méthode EMMA (End-Member Mixing Analysis) est appliquée afin d'établir les principaux pôles hydrochirniques responsables des contributions caractéristiques des différents systèmes. Ensuite, au vu du transport important de matières en suspension au cours des crues dans ces aquifères, une partie de ce travail vise à mieux comprendre le rôle et l'impact de ces matières sur le transport dissous et colloïdal. Les éléments traces métalliques (ETM) sont utilisés afin de caractériser l'origine et la dynamique des transferts. Ils apparaissent alors comme des outils pertinents pour identifier des phénomènes de dépôts et de remobilisation de particules dans le système. Ces dynamiques s'observent à la fois sur le système de Fourbanne marqué par une infiltration localisée importante et sur le petit système du Dahon, caractérisé par une infiltration diffuse.Finalement, afin de mieux comprendre la variabilité spatio-temporelle des interactions qui ont lieu au cours des crues le long du conduit karstique, une nouvelle approche de modélisation est définit. Elle propose l'utilisation des équations de l'onde diffusante et d'advection-diffusion avec la même résolution mathématique (solution analytique d'Hayarni (1951)) en supposant une distribution uniforme des échanges le long du conduit. A partir d'une modélisation inverse, elle permet alors d'identifier et d'estimer les échanges en termes de flux hydriques et de flux massiques entre deux stations de mesure. Cette méthodologie est appliquée sur le système de Fourbanne le long de deux tronçons caractérisant (1) la zone non-saturée et (2) zone non-saturée et saturée. L'analyse de plusieurs crues permet d'observer des dynamiques d'échanges variées sur les deux tronçons. Elle permet ainsi d'établir un schéma de fonctionnement du système soulignant des interactions importantes dans la zone saturée et également le rôle de la zone non-saturée pour le stockage dans le système karstique.Ce travail de thèse propose donc un ensemble d'outils riches et complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues et montre l'importance de coupler l'analyse des processus hydrodynamiques et hydrochimiques afin de mieux déchiffrer le fonctionnement de ces aquifères. / The understanding of karst aquifer functioning is a major issue, given the complex structures of these reservoirs. The high heterogeneity of the flows induces a high vulnerability of these media and implies distinct behaviours during floods because of various infiltration processes. In the Jura Mountains, karst aquifers constitute the main source of water drinking supply and raise the question of their role in the degradation of water quality observed for several decades. This work uses complementary approaches to better understand the dynamics of floods in aquifers under various hydrological conditions. Several karst systems of the Jura Mountains, varying in size and characterized by distinct recharge processes, are investigated by detailed physico-chemical and hydrochemical monitoring.First, the different systems are compared at the hydrological cycle scale and at the seasonal scale to identify the dominant recharge processes (localized and/or diffuse infiltrations) as well as the characteristic hydrochemical signatures (allochtonous, autochthonous and/or anthropogenic). A comparative study of two systems with distinct recharge processes highlights the high seasonal variability of the hydrochemical response. The different systems are then analysed on a finer time scale to shed light on flood dynamics. An intense autumn flood was thus compared to smaller floods preceded by periods of significant low flow and marked by significant anthropogenic hydrochemical signatures. The EMMA (End-Member Mixing Analysis) method is applied to these results in order to establish the main hydrochemical end-members responsible for the characteristic contributions of the different systems.Then, considering the important transport of suspended matter during floods in these aquifers, part of this work aims to better understand the role and impact of these materials on dissolved and colloidal transport. Metal trace elements (ETM) are used to characterize the origin and transfer dynamics. These are relevant tools to identify the processes of storage and remobilization of the particles in the system. These dynamics are observed both on the Fourbanne system with an important localized infiltration, and on the small Dahon system, characterized by diffuse infiltration.Finally, in order to shed light on the spatio-temporal variability of the interactions that occur along the karst network during floods, a new modelling approach is defined. It is based upon the use of the diffusive wave and advection­diffusion equations with the same mathematical resolution (Hayami's analytical solution (1951)) assuming a uniform distribution of the exchanges along the reach. An inverse modelling approach allows to identify and estimate the exchanges in terms of water flows and solute between two measurement stations. This methodology is applied to the Fourbanne system on two sections characterizing (1) the unsaturated zone and (2) unsaturated and saturated zone. The analysis of several floods highlights the different exchange dynamics on the two sections. It thus makes it possible to establish a functioning scheme of the system, bringing to light the important interactions in the saturated zone and also the storage role of the unsaturated zone in the karst system.This work offers a set of rich and complementary tools to better characterize the dynamics of floods and shows the importance of coupling the analysis of the hydrodynamic and hydrochemical processes to better decipher the functioning of these aquifers.

Le nord du Chili est soumis à un contexte climatique aride à semi-aride présentant une variabilité saisonnière et inter-annuelle forte. Dans cette région les zones de haute altitude soutiennent les parties plus basses des bassins versants, mais la ressource en eau reste malgré tout limitée. Afin d'améliorer les méthodes de gestion de l'eau dans ces bassins versants, il est important de préciser le rôle des zones de haute altitude dans le soutien des parties basses, mais aussi de caractériser les modalités de transfert et d'interaction entre les compartiments constitutifs de l'hydrosystème. Ce travail porte sur la caractérisation du fonctionnement hydrologique du bassin versant de l'Elqui depuis la tête de bassin, située au cœur de la cordillère des Andes, jusqu'aux vallées de la zone inférieure situées entre 500 et 2000 mètres d'altitude. En tête de bassin, les processus d'interaction entre les compartiments cryosphériques, hydrologiques et hydrogéologiques, et leurs impacts sur le transfert des masses d'eau vers l'aval de la zone d'étude sont caractérisés. Le comportement hydrologique des sous bassins versant partiellement ou non‑englacés est également étudié. Dans la zone inférieure du bassin, l'étude porte principalement sur les processus d'interactions surface-souterrain en contexte semi‑aride et sur les impacts des forçages climatiques et anthropiques sur ces derniers. Cette étude s'appuie sur plus de 40 ans de données hydro-météorologiques disponibles sur la zone inférieure du bassin, complétés par des mesures hydrologiques sur la zone supérieure (> 2000 mètres d'altitude) et des prélèvements chimiques (majeurs et traces) et isotopiques (²D, 18O) sur la totalité de la zone d'étude, réalisés entre 2011 et 2013.Ces travaux ont montré que le modèle conceptuel de fonctionnement du bassin versant de l'Elqui généralement accepté était incomplet. Dans la zone supérieure, l'étude d'un bassin versant englacé a permis de montrer que le rôle de la cryosphère dépasse la fonction de production d'eau, avec certains compartiments stockant temporairement de l'eau en période humide et la libérant en période sèche. Ce processus permet d'amortir la variabilité temporelle des précipitations et du taux de fonte en altitude. Les analyses physico-chimiques réalisées dans le bassin versant ont également permis d'identifier des compartiments aquifères ignorés jusqu'à maintenant, comme les compartiments volcanique et plutonique. En améliorant les connaissances sur les processus d'interactions entre compartiments cryosphériques, hydrologiques et hydrogéologiques, les résultats de ce travail ont apporté des précisions sur le fonctionnement hydrologique de la zone de haute altitude. Cela a permis l'estimation des impacts potentiels de la variabilité climatique sur ces processus d'interactions et leurs conséquences sur la disponibilité et la qualité de la ressource. Dans la zone inférieure, la caractérisation des interactions surface-souterrain a montré qu'il existe un fort potentiel d'interaction entre le compartiment hydrologique et le compartiment alluvial, mais également entre le compartiment alluvial et le socle plutonique. L'étude des données hydrologiques et physico-chimiques a permis de caractériser le type d'échanges se déroulant entre les compartiments. Dans certains secteurs le processus dominant est la recharge du compartiment alluvial par le compartiment hydrologique, tandis que pour d'autres il existe une alternance entre période de drainage du compartiment alluvial par le compartiment hydrologique et période de recharge du compartiment alluvial. La réponse de ces processus face aux impacts des forçages climatiques et anthropiques contraindra la disponibilité et la qualité de la ressource dans les années à venir. Ainsi, les résultats apportés par ce travail permettront certainement de mieux anticiper les modifications futures du fonctionnement hydrologique des bassins versant montagneux en contexte semi-arides. / The north Chile is affected by an arid to semi-arid climate, associated with a strong seasonal to inter-annual variability. In this region, while mountainous areas are supporting low areas, the availability of water resources remains limited. In order to improve the water management in these basins, it is necessary to precise how the high areas support the low areas, and to characterize water transfers and interaction processes between the constitutive compartments of the hydrosystem. This work concern the characterization of the hydrodynamic behavior of the Elqui watershed from the headwaters, in the Andes, to the valleys, ranging between 500 and 2000 m.a.s.l.In the headwaters, the interactions processes between cryospheric and hydrologic compartments and their impact on water transfers to the low areas are characterized. The behavior of unglacierized or partially glacierized watershed is also studied. In the low area of the watershed, the study mainly considers groundwater-surface water interactions under semi-arid context and the impact of the climatic variability on these processes. This study is based on more than 40 years of hydro-meteorological data available in the lower zone of the basin, completed by hydrological measurements in the upper zone (> 2000 m.a.s.l.) and chemical (majors and traces elements) and isotopic samples (²D, 18O) over the whole study area realized between 2011 and 2013.This work demonstrated that the conceptual model of the Elqui basin hydrological behavior, generally accepted, was incomplete. In the high area (> 2000 m.a.s.l.), the study of a glacierized watershed show that the function of the cryosphere overpass the water production with some compartments storing water during humid periods and draining their water content during dry periods. This process buffers the temporal variability of precipitations and melting rates in the high area. Physico-chemical analysis, allows to identify some ignored aquifer compartments, as the volcanic and plutonic compartments. The results of this study improve the knowledge about interactions processes between cryospheric, hydrologic and hydrogeologic compartments, which precise the hydrological functioning of the high area. The interpretation of the hydrological behavior of the high altitude area allows to better understand the way that it support the low area, and the way that climate variability may affects it.In the low area, results show that the groundwater-surface water interaction potential is good between alluvial and hydrological compartments, but also between the plutonic and the alluvial compartments. The study of hydro-meteorological and physico-chemical data allowed to characterize the type of exchanges that take place between groundwater and surface water. In some sectors the main process is the recharge of the alluvial compartment by the hydrological compartment, while in other sectors the processes show a seasonal variability with periods of alluvial compartment recharge and periods of hydrological compartment support. The answer of these processes face to climatic and anthropic forcing will constrain the evolution of the availability and quality of the water resources in the Elqui basin. Finally, the results of this study will certainly allow to better anticipate the future modifications of the semi-arid mountainous watershed hydrological functioning.