Thèses sur le sujet « Modèles hydrogéologiques »

Les études de caractérisation hydrogéologiques peuvent être relativement longues et coûteuses. Pour caractériser rapidement les bassins versants de la vallée du Saint-Laurent et permettre une compréhension générale de l’hydrogéologie de ces derniers, cinq modèles empiriques d’interprétation hydrologique ont été testés, les variables morphométriques représentant les variables indépendantes et les données hydrogéologiques les variables dépendantes. Le bassin versant de la rivière Châteauguay a été utilisé pour calibrer les modèles, alors que le bassin versant de la rivière Beaurivage, un sous bassin versant de la rivière Chaudière a été sélectionné pour la validation. Les réseaux de neurones (modélisation non linéaire multivariée) se sont avérés particulièrement performants, compte tenu du peu de données disponibles. La combinaison de deux variables morphométriques a été, en général, plus performante que l’utilisation seule de ces dernières. La densité de drainage relative, qui représente le rapport entre la densité de drainage et le relief du bassin a été la variable morphométrique la plus performante.

Dans ce travail, un outil de modelisation mathematique a ete mis au point pour modeliser de facon simple et rapide, et avec une precision acceptable, le transport des nitrates d'origine agricole dans les eaux souterraines. Les donnees necessaires pour l'utilisation de cet outil de modelisation peuvent etre recueillies sur une annee, avec un nombre restreint de mesures in situ. Le modele peut etre applique a une nappe libre alimentant une station de pompage et sur laquelle l'impact de la pollution nitratee d'origine agricole est tres fort. L'outil de modelisation est constitue d'un modele de transport en zone saturee, developpe en langage de programmation turbo-pascal et integre dans un systeme d'information geographique (idrisi). Le sig joue un role d'interface pour le modele et permet une saisie rapide des donnees de modelisation. Un certain nombre de simplifications apportees a la theorie du modele permet de restreindre le nombre de donnees necessaires a la simulation : - le modele est base sur un principe convectif pur (la dispersion etant negligee) ; - il traite egalement l'evolution annuelle de la piezometrie de la nappe par une interpolation mathematique entre la piezometrie des hautes eaux et des basses eaux. Le modele de transport, ne gerant pas l'hydrodynamisme de l'aquifere, a ete couple avec un modele hydrodynamique : modflow. Le modele de transport a egalement ete couple avec un modele de transfert de nitrates en zone non saturee : agriflux. Cet outil de modelisation, teste sur deux sites d'etude du poitou-charentes, a donne pour chacun des resultats de modelisation satisfaisants, assurant ainsi la validation du modele. Une modelisation parallele, conduite pour les deux sites avec un modele de transport classique (mt3d, couple avec modflow), a permis d'obtenir des resultats tres proches des premiers, permettant ainsi une validation complementaire de l'outil de modelisation.

Les crues et les sécheresses sont deux des risques majeurs en France et nécessitent une attention particulière. Dans ces conditions où le changement climatique engendre des phénomènes extrêmes de plus en plus fréquents, la modélisation de ces risques est désormais un élément incontournable pour la gestion de la ressource en eau.Actuellement, les débits ou hauteurs d’eau sont principalement anticipés à partir de modèles à base physique ou conceptuelle. Bien qu’efficaces et nécessaires, la calibration et la mise en œuvre de ces modèles nécessitent la réalisation d’études longues et coûteuses.Dans ce contexte, cette thèse, soutenue par l’IMT Mines Alès et conjointement financée par la société aQuasys et l’ANRT, a pour objectif de développer des modèles issus du paradigme systémique. Ceux-ci nécessitent uniquement des connaissances a priori basiques sur la caractérisation physique du bassin étudié, et qui peuvent être calibrés à partir des seules informations d’entrées et de sorties (pluies et débits/hauteurs).Les modèles les plus utilisés dans le monde environnemental sont les réseaux neuronaux, qui sont utilisés sur ce projet. Cette thèse cherche à répondre à trois objectifs principaux :1. Élaboration d’une méthode de conception de modèle adaptée aux différentes variables (débits/hauteur des eaux de surface) et à des bassins de types très différents : bassins versants ou bassins hydrogéologiques (hauteur des eaux souterraines)2. Évaluation des incertitudes liées à ces modèles en fonction des types de bassins visés3. Réduction de ces incertitudesPlusieurs bassins sont utilisés pour répondre à ces problématiques : la nappe du bassin du Blavet en Bretagne et le bassin de la nappe de la Craie de Champagne sud et Centre
Floods and droughts are the two main risks in France and require a special attention. In these conditions, where climate change generates increasingly frequent extreme phenomena, modeling these risks is an essential element for water resource management.Currently, discharges and water heights are mainly predicted from physical or conceptual based models. Although efficient and necessary, the calibration and implementation of these models require long and costly studies.Hydrogeological forecasting models often use data from incomplete or poorly dimensioned measurement networks. Moreover, the behavior of the study basins is in most cases difficult to understand. This difficulty is thus noted to estimate the uncertainties associated with hydrogeological modeling.In this context, this thesis, supported by IMT Mines Alès and financed by the company aQuasys and ANRT, aims at developing models based on the systemic paradigm. These models require only basic knowledge on the physical characterization of the studied basin, and can be calibrated from only input and output information (rainfall and discharge/height).The most widely used models in the environmental world are neural networks, which are used in this project. This thesis seeks to address three main goals:1. Development of a model design method adapted to different variables (surface water flows/height) and to very different types of basins: watersheds or hydrogeological basins (groundwater height)2. Evaluation of the uncertainties associated with these models in relation to the types of targeted basins3. Reducing of these uncertaintiesSeveral basins are used to address these issues: the Blavet basin in Brittany and the basin of the Southern and Central Champagne Chalk groundwater table

Le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers est implanté au droit des deux aquifères principaux (carbonates fracturés) de la région Poitou-Charentes. Trente cinq forages composent actuellement le SEH avec un emboîtement d'échelle permettant des investigations de 10 à 600 mètres. L'essentiel de l'étude hydrodynamique présentée dans ce travail repose sur l'interprétation de pompages d'essai en interférences Les méthodes conventionnelles d'interprétation de ces tests sont dédiées au milieu poreux et ne peuvent s'appliquer en raison de la forme convexe des courbes de rabattement observées sur le site. Un modèle a été bâti, basé sur une représentation fractale du milieu et une approximation logarithmique de la solution à un écoulement radial convergent de symétrie cylindrique. En travaillant avec des paramètres dimensionnés, ce modèle est inversible par optimisation sur chaque courbe de rabattement. L'exploitation des résultats montre que le milieu a un comportement proche d'un réseau de percolation au seuil avec des valeurs de transmissivité et de coefficient d'emmagasinement obéissant à des lois d'échelle. On constate que les transmissivités s'homogénéisent rapidement dès les faibles distances entre puits pompé et puits observé. A l'inverse, les valeurs du coefficient d'emmagasinement ne sont pas homogénéisées sur les distances échantillonnées par le pompage et montrent une décroissance significative sur presque un ordre de grandeur en fonction de la distance. Ces résultats de tests d'interférence ont été comparés à une étude locale, à l'échelle du puits, de la porosité et du coefficient d'emmagasinement en utilisant les analyses corrélatoires et spectrales croisées entre niveau piézométrique et pression atmosphérique. Quand bien même la comparaison des résultats n'est pas entièrement probante, elle démontre combien l'écoulement en milieu fracturé et la détermination des paramètres hydrodynamiques sont sensibles à l'échelle de mesure
The Hydrogeological Experimental Site (HES) in Poitiers is set up over the two main aquifers (fractured limestone) of the Region Poitou-Charentes. The site encloses 35 wells spatially distributed so that nested scales in the range 10 - 600 m for lag-distances between wells are available. Most of the hydrodynamic study proposed in this work rests on the interpretation of interference hydraulic pumping tests. Classical methods of interpretation are devoted to porous media and cannot be applied here because of the convex shape in time of observed draw-down curves. A new model has been built. It is based on a fractal approach to the fractured medium and a logarithmic approximation to the solution of radial flow with cylindrical symmetry. This model handles dimensioned variables which allow its inversion by optimization over each available draw-down curve. The results show that the medium has a fractal behavior very close to that of a 2D percolation network at the percolation threshold, with transmissivity and storage capacity obeying power scaling laws. It is shown that transmissivity values rapidly homogenize even for small lag-distance between the pumped well and the observed-one. On the other hand, the storage capacity keeps decreasing over almost one order of magnitude with the lag-distance. These results from interference tests have been compared to that from a study, at the scale of the well, of porosity and storage capacity deduced from cross-correlation and spectral analysis between hydraulic head and atmospheric pressure. Even though the comparison shows a few discrepancies between results, it point out that flow in fractured rocks and the determination of hydrodynamic parameters are very sensitive to the scale over which measurements are performed

Le site étudié est occupé en grande partie par la ville industrielle de Taegu en Corée ; 2 millions d'habitants ; située au milieu du bassin sédimentaire Crétacé de Gyeung Sang. A l'Est du bassin on trouve en outre des dépôts volcanoclastiques et quelques coulées basaltiques du Crétacé supérieur. Le secteur d'étude est limité au Nord par la rivière Khum-Ho (altitude environ 20 m). Il est traversé par la rivière Chin-Chen qui s'écoule du Sud vers le Nord en divisant la ville de Taegu en deux parties égales, et se déverse dans la rivière Khum-Ho à la limite Nord du secteur. L'aquifère se développe dans les fractures de la série crétacée et dans des petites cavités de dissolution localisées dans des horizons marneux.

Une méthodologie multidisciplinaire de caractérisation des aquifères fracturés est élaborée en s'appuyant sur deux exemples d'aquifères : un milieu cristallin à Plancoët et un milieu carbonaté à Quézac. Elle consiste d'abord à analyser le contexte géologique et construire un modèle géométrique de l'aquifère à différentes échelles sur la base d'analyses d'images, de cartographie de terrain et de prospections géophysiques. Les modèles géométriques effectués sur les deux sites tiennent compte des particularités de chacun. Une analyse des caractéristiques hydrologiques, hydrogéologiques et géochimiques de l'aquifère est ensuite réalisée à Plancoët, ce qui permet enfin de construire un modèle hydrogéologique qui confirme la structure géologique et conduit à proposer un emplacement de forage. La pluridisciplinarité des méthodes utilisées dans ce travail permet d'avoir une compréhension assez complète des aquifères étudiés.

Dès le début du 20ème siècle, les eaux souterraines de l’aquifère transfrontalier Milk River (MRA) ont constitué une importante ressource dans le sud de l’Alberta (Canada) et le nord du Montana (USA). L’utilisation intensive de cette ressource sous un climat semi-aride a provoqué une baisse importante des niveaux d’eau localement, si bien que des inquiétudes concernant la pérennité du MRA sont apparues dès les années 60. Les études précédentes du MRA étaient limitées par les frontières nationales, empêchant ainsi une compréhension complète de la dynamique de l’aquifère. L’objectif de cette thèse était de réaliser une étude transfrontalière du MRA afin de caractériser cette ressource régionale d’eau souterraine selon ses limites naturelles. À cette fin, trois modèles transfrontaliers ont été réalisés: un modèle géologique, un modèle conceptuel hydrogéologique et un modèle numérique d’écoulement souterrain. Des travaux de terrain de part et d’autre de la frontière Canada/USA et une revue de littérature exhaustive des études précédentes ont supporté la réalisation de ces modèles. De plus, une première évaluation des niveaux d’exploitation historiques du MRA a été réalisée en Alberta.Le modèle géologique 3D (50 000 km2) représente le MRA (Membre Virgelle de la Formation Milk River/Eagle) et ses unités confinantes continûment à travers la frontière internationale. Le développement de ce modèle a requis une harmonisation des nombreuses nomenclatures stratigraphiques de la région et la délimitation transfrontalière du MRA.Le modèle conceptuel hydrogéologique du MRA a montré deux flux d’écoulement souterrains transfrontaliers, dirigés du Montana vers l’Alberta. La Milk River intercepte la majeure partie du flux souterrain venant du sud, si bien que l’écoulement au nord de la rivière est très faible. Les analyses isotopiques confirment que les eaux du MRA sont principalement fossiles à l’exception de la zone de recharge située le long de la zone d’affleurement du MRA. Les zones du MRA avec une forte conductivité hydraulique et de faibles concentrations en chlorures correspondent à des voies d’écoulement préférentielles. L’émergence des eaux du MRA a lieu via la drainance à travers les unités confinantes notamment le long des vallées enfouies.Le modèle numérique (26 000 km2) d’écoulement souterrain du MRA en régime permanent est une transposition des modèles géologique et conceptuel. Il montre que le modèle conceptuel précédemment développé est hydrauliquement plausible. Le modèle d’écoulement donne une meilleure compréhension du système aquifère en représentant la dynamique de l’écoulement souterrain dans la situation pré-exploitation. Le traçage de particules indique des temps de résidence advectifs de près de 750 000 ans à la limite nord du MRA, ce qui est inférieur aux âges obtenus par les analyses isotopiques (2 Ma).Les bilans en eau des modèles conceptuels et numériques montrent tous les deux que l'extraction de l'eau souterraine dépasse de loin la recharge au nord de la Milk River.Un modèle d'écoulement transitoire serait requis pour définir le volume d'eau provenant de l'emmagasinement dans le MRA et préciser le rôle des aquitards durant le pompage. Par ailleurs, en tant que ressource internationale partagée, une gestion transfrontalière des eaux du MRA serait justifiée dans la région comprise entre la zone de recharge au Montana et le sud de la Milk River en Alberta. Ainsi, ces trois modèles transfrontaliers du MRA forment une base commune internationale de connaissances scientifiques à l'échelle de l'aquifère et pourraient supporter l'évaluation future du meilleur usage possible de cette ressource partagée et limitée. De futurs travaux peuvent inclure l'effet des champs de gaz localisés aux limites du MRA et les conditions paléo-hydrogéologiques liées à l'évolution géochimiqie de l'au souterraine
Since the beginning of the 20th century, groundwater from the Milk River Aquifer (MRA) has been an important water resource in southern Alberta (Canada) and northern Montana (USA). The intensive use of this resource under a semi-arid climate has locally led to important drops in waters levels, thus raising concerns on the MRA sustainability since the 1960’s. Previous MRA studies were limited by the national boundaries, thus preventing a full understanding of the aquifer dynamics. The objective of this thesis was to carry out a transboundary study of the MRA to define this regional groundwater resource within its natural boundaries. For this purpose, three cross-border models were developed: a geological model, a conceptual hydrogeological model and a numerical groundwater flow model. These developments were supported by focused field work on both sides of the Canada/USA border and a comprehensive review of previous studies. Furthermore, a first assessment of the historical exploitation levels of the MRA was done for southern Alberta.The 3D geological model (50,000 km2) continuously represents the MRA (Virgelle Member of the Milk River/Eagle Formation) and confining units through the international border. Development of this model required harmonization of various stratigraphic nomenclatures in the study area and the transboundary delineation of the MRA extent.The hydrogeological conceptual model of the MRA indicated two transboundary groundwater fluxes from Montana to Alberta. The Milk River intercepts most of the groundwater flux incoming from the south, thus leading to limited groundwater flow north of the Milk River. Isotopic analyses confirm that the MRA contains mostly fossil groundwater, with the exception of the recharge area located along the outcrop area of the aquifer. Areas within the MRA with a high hydraulic conductivity and low chloride concentrations correspond to preferential groundwater flowpaths. Discharge from the aquifer occurs as vertical leakage through the overlying confining units, especially along bedrock valleys.The numerical steady-state groundwater flow model of the aquifer system (26,000 km2) is a transposition of the geological and conceptual models, and it shows that the previously developed conceptual model is hydraulically plausible. The groundwater flow model provides a better understanding of the aquifer system by representing the dynamics of groundwater flow under pre-development conditions. Particle tracking indicates advective residence times of up to 750,000 years in the northern limit of the aquifer, which is lower than ages obtained from isotopic analyses (2 Ma).The area south of the Milk River benefits from all of the transboundary groundwater flux from Montana whereas north of the Milk River, only a portion of the recharge flux coming from the south is transmitted due to the interception of the Milk River.Groundwater budgets from both the conceptual and numerical models show that groundwater extraction far exceeds recharge north of the Milk River. A transient model would be required to determine how much water is derived from storage in the MRA and to assess the role of the confining units during pumping. Furthermore, as an internationally shared resource, a transboundary management of the MRA would be appropriate, especially in the area comprised between the recharge area in Montana and the Canadian reach of the Milk River.Together, these transboundary models of the MRA constitute a common international basis of scientific knowledge at the aquifer scale and could support further assessments of the best possible exploitation of the shared but limited resource.Future works could include the study of the effects of the gas fields located at the limits of the MRA as well as paleo-hydrogeological conditions relative to the geochemical evolution of groundwater

Dès le début du 20ème siècle, les eaux souterraines de l’aquifère transfrontalier Milk River (MRA) ont constitué une importante ressource dans le sud de l’Alberta (Canada) et le nord du Montana (USA). L’utilisation intensive de cette ressource sous un climat semi-aride a provoqué une baisse importante des niveaux d’eau localement, si bien que des inquiétudes concernant la pérennité du MRA sont apparues dès les années 60. Les études précédentes du MRA étaient limitées par les frontières nationales, empêchant ainsi une compréhension complète de la dynamique de l’aquifère. L’objectif de cette thèse était de réaliser une étude transfrontalière du MRA afin de caractériser cette ressource régionale d’eau souterraine selon ses limites naturelles. À cette fin, trois modèles transfrontaliers ont été réalisés: un modèle géologique, un modèle conceptuel hydrogéologique et un modèle numérique d’écoulement souterrain. Des travaux de terrain de part et d’autre de la frontière Canada/USA et une revue de littérature exhaustive des études précédentes ont supporté la réalisation de ces modèles. De plus, une première évaluation des niveaux d’exploitation historiques du MRA a été réalisée en Alberta.Le modèle géologique 3D (50 000 km2) représente le MRA (Membre Virgelle de la Formation Milk River/Eagle) et ses unités confinantes continûment à travers la frontière internationale. Le développement de ce modèle a requis une harmonisation des nombreuses nomenclatures stratigraphiques de la région et la délimitation transfrontalière du MRA.Le modèle conceptuel hydrogéologique du MRA a montré deux flux d’écoulement souterrains transfrontaliers, dirigés du Montana vers l’Alberta. La Milk River intercepte la majeure partie du flux souterrain venant du sud, si bien que l’écoulement au nord de la rivière est très faible. Les analyses isotopiques confirment que les eaux du MRA sont principalement fossiles à l’exception de la zone de recharge située le long de la zone d’affleurement du MRA. Les zones du MRA avec une forte conductivité hydraulique et de faibles concentrations en chlorures correspondent à des voies d’écoulement préférentielles. L’émergence des eaux du MRA a lieu via la drainance à travers les unités confinantes notamment le long des vallées enfouies.Le modèle numérique (26 000 km2) d’écoulement souterrain du MRA en régime permanent est une transposition des modèles géologique et conceptuel. Il montre que le modèle conceptuel précédemment développé est hydrauliquement plausible. Le modèle d’écoulement donne une meilleure compréhension du système aquifère en représentant la dynamique de l’écoulement souterrain dans la situation pré-exploitation. Le traçage de particules indique des temps de résidence advectifs de près de 750 000 ans à la limite nord du MRA, ce qui est inférieur aux âges obtenus par les analyses isotopiques (2 Ma).Les bilans en eau des modèles conceptuels et numériques montrent tous les deux que l'extraction de l'eau souterraine dépasse de loin la recharge au nord de la Milk River.Un modèle d'écoulement transitoire serait requis pour définir le volume d'eau provenant de l'emmagasinement dans le MRA et préciser le rôle des aquitards durant le pompage. Par ailleurs, en tant que ressource internationale partagée, une gestion transfrontalière des eaux du MRA serait justifiée dans la région comprise entre la zone de recharge au Montana et le sud de la Milk River en Alberta. Ainsi, ces trois modèles transfrontaliers du MRA forment une base commune internationale de connaissances scientifiques à l'échelle de l'aquifère et pourraient supporter l'évaluation future du meilleur usage possible de cette ressource partagée et limitée. De futurs travaux peuvent inclure l'effet des champs de gaz localisés aux limites du MRA et les conditions paléo-hydrogéologiques liées à l'évolution géochimiqie de l'au souterraine
Since the beginning of the 20th century, groundwater from the Milk River Aquifer (MRA) has been an important water resource in southern Alberta (Canada) and northern Montana (USA). The intensive use of this resource under a semi-arid climate has locally led to important drops in waters levels, thus raising concerns on the MRA sustainability since the 1960’s. Previous MRA studies were limited by the national boundaries, thus preventing a full understanding of the aquifer dynamics. The objective of this thesis was to carry out a transboundary study of the MRA to define this regional groundwater resource within its natural boundaries. For this purpose, three cross-border models were developed: a geological model, a conceptual hydrogeological model and a numerical groundwater flow model. These developments were supported by focused field work on both sides of the Canada/USA border and a comprehensive review of previous studies. Furthermore, a first assessment of the historical exploitation levels of the MRA was done for southern Alberta.The 3D geological model (50,000 km2) continuously represents the MRA (Virgelle Member of the Milk River/Eagle Formation) and confining units through the international border. Development of this model required harmonization of various stratigraphic nomenclatures in the study area and the transboundary delineation of the MRA extent.The hydrogeological conceptual model of the MRA indicated two transboundary groundwater fluxes from Montana to Alberta. The Milk River intercepts most of the groundwater flux incoming from the south, thus leading to limited groundwater flow north of the Milk River. Isotopic analyses confirm that the MRA contains mostly fossil groundwater, with the exception of the recharge area located along the outcrop area of the aquifer. Areas within the MRA with a high hydraulic conductivity and low chloride concentrations correspond to preferential groundwater flowpaths. Discharge from the aquifer occurs as vertical leakage through the overlying confining units, especially along bedrock valleys.The numerical steady-state groundwater flow model of the aquifer system (26,000 km2) is a transposition of the geological and conceptual models, and it shows that the previously developed conceptual model is hydraulically plausible. The groundwater flow model provides a better understanding of the aquifer system by representing the dynamics of groundwater flow under pre-development conditions. Particle tracking indicates advective residence times of up to 750,000 years in the northern limit of the aquifer, which is lower than ages obtained from isotopic analyses (2 Ma).The area south of the Milk River benefits from all of the transboundary groundwater flux from Montana whereas north of the Milk River, only a portion of the recharge flux coming from the south is transmitted due to the interception of the Milk River.Groundwater budgets from both the conceptual and numerical models show that groundwater extraction far exceeds recharge north of the Milk River. A transient model would be required to determine how much water is derived from storage in the MRA and to assess the role of the confining units during pumping. Furthermore, as an internationally shared resource, a transboundary management of the MRA would be appropriate, especially in the area comprised between the recharge area in Montana and the Canadian reach of the Milk River.Together, these transboundary models of the MRA constitute a common international basis of scientific knowledge at the aquifer scale and could support further assessments of the best possible exploitation of the shared but limited resource.Future works could include the study of the effects of the gas fields located at the limits of the MRA as well as paleo-hydrogeological conditions relative to the geochemical evolution of groundwater

Jadis délaissés au profit des milieux plus simples et/ou accessibles, les milieux souterrains fracturés, notamment ceux de socle cristallin, bénéficient désormais d'un intérêt croissant vue leur capacité à constituer de réelles ressources en eau. La compréhension de ces systèmes apparaît donc comme un enjeu majeur en hydrogéologie. Nous explorons avant tout la possibilité de structures portant une ressource en eau autres que celles jusqu'à présent identifiées i.e. la zone altérée et les fractures régionales sub-verticales. Nous identifions à ce propos les fractures locales à faible pente, confirmant ainsi certaines observations de site comme celles réalisées sur l'aquifère de socle cristallin de Ploemeur (Bretagne). Nous étudions ensuite l'apport des données d'" âge " pour la caractérisation des systèmes hétérogènes complexes et de leur ressource. Issues de mesures de concentration, elles sont classiquement utilisées dans les milieux peu hétérogènes pour quantifier la recharge. Nous reconsidérons ici leur sensibilité et montrons, en cohérence avec le degré d'incertitude des propriétés, qu'elles peuvent autant servir à caractériser la structure du champ de vitesse plutôt que sa magnitude. Par une réflexion plus générale sur leur contenu informationnel, nous montrons aussi qu'elles ne peuvent seules identifier le modèle d'écoulement et la distribution des temps de résidence associée, en raison de leur caractère intégrateur. Il en résulte pléthore de modèles cohérents avec les données même si peu pertinents pour la prédiction tel que le modèle exponentiel. Nous proposons au final les moyens de contrecarrer cet écueil par une utilisation spatiale et temporelle de la donnée.

Dans le cadre des études d'impact et de maîtrise des risques environnementaux, des modèles numériques sont utilisés pour simuler, expliquer et prédire les transferts de polluants. Ces codes de calcul prennent en entrée un grand nombre de paramètres entachés d'incertitudes (paramètres géophysiques, chimiques, etc. ) et peuvent s'avérer couteux en temps de calcul. Pour propager les incertitudes des paramètres d'entrée et déterminer leur influence sur la réponse du code, ce dernier est approximé par un métamodèle, plus rapide à évaluer et construit à partir d'un nombre limité de simulations du code. Nos travaux de recherche se sont concentrés sur l'utilisation du métamodèle processus gaussien afin de réaliser l'analyse de sensibilité des codes. Nous avons proposé une méthodologie alliant procédures d'estimation et de sélection afin de construire le métamodèle dans le cas d'un grand nombre d'entrée et à partir d'un nombre limité de simulations. Nous avons ensuite comparé deux approches pour estimer les indices de sensibilité à partir du métamodèle processus gaussien et proposé un algorithme pour construire des intervalles de confiance pour ces indices. Nous nous sommes ensuite intéressés au choix des simulations numériques et étudier l'influence de différentes stratégies d'échantillonnage sur la prédictivité du métamodèle. Enfin, nous avons étendu nos travaux au cas d'une sortie fonctionnelle d'un code en couplant le métamodèle processus gaussien à une décomposition sur une base d'ondelettes avant de construire des indices fonctionnels de sensibilité. Tous les outils et méthodologies statistiques développés ont été appliqués au cas d’un code de transport hydrogéologique
In the studies of environmental transfer and risk assessment, numerical models are used to simulate, understand and predict the transfer of pollutant. These computer codes can depend on a high number of uncertain input parameters (geophysical variables, chemical parameters, etc. ) and can be often too computer time expensive. To conduct uncertainty propagation studies and to measure the importance of each input on the response variability, the computer code has to be approximated by a metamodel which is build on an acceptable number of simulations of the code and requires a negligible calculation time. We focused our research work on the use of Gaussian process metamodel to make the sensitivity analysis of the code. We proposed a methodology with estimation and input selection procedures in order to build the metamodel in the case of a high number of inputs and with few simulations available. Then, we compared two approaches to compute the sensitivity indices with the metamodel and proposed an algorithm to build prediction intervals for these indices. Afterwards, we were interested in the choice of the code simulations. We studied the influence of different sampling strategies on the predictivity of the Gaussian process metamodel. Finally, we extended our statistical tools to a functional output of a computer code. We combined a decomposition on a wavelet basis with the Gaussian process modelling before computing the functional sensitivity indices. All the tools and statistical methodologies that we developed were applied to the real case of a complex hydrogeological computer code, simulating radionuclide transport in groundwater

Ce travail s’inscrit dans un contexte de contrôle de la pollution des ressources en eau. On s’intéresse plus particulièrement à l’impact des engrais d’origine agricole sur la qualité de l’eau, en alliant modélisation économique et hydrogéologique. Pour cela, nous définissons d’une part un objectif économique spatio-temporel prenant en compte le compromis entre l’utilisation d’engrais et les coûts de dépollution. D’autre part, nous décrivons le transport du polluant dans le sous-sol (3D en espace) par un système non linéaire d’équations aux dérivées partielles couplées de type parabolique (réaction-convection-dispersion) et elliptique dans un domaine borné. Nous prouvons l’existence globale d’une solution au problème de contrôle optimal. L’unicité est quant à elle démontrée par analyse asymptotique pour le problème effectif tenant compte de la faible concentration d’engrais en sous-sol. Nous établissons les conditions nécessaires d’optimalité et le problème adjoint associé à notre modèle. Quelques exemples analytiques sont donnés et illustrés. Nous élargissons ces résultats au cadre de la théorie des jeux, où plusieurs joueurs interviennent, et prouvons notamment l’existence d’un équilibre de Nash. Enfin, ce travail est illustré par des résultats numériques (2D en espace), obtenus en couplant un schéma de type Éléments Finis Mixtes avec un algorithme de gradient conjugué non linéaire
This work is devoted to water ressources pollution control. We especially focus on the impact of agricultural fertilizer on water quality, by combining economical and hydrogeological modeling. We define, on one hand, the spatio-temporal objective, taking into account the trade off between fertilizer use and the cleaning costs. On an other hand, we describe the pollutant transport in the underground (3D in space) by a nonlinear system coupling a parabolic partial differential equation (reaction-advection-dispersion) with an elliptic one in a bounded domain. We prove the global existence of the solution of the optimal control problem. The uniqueness is proved by asymptotic analysis for the effective problem taking into account the low concentration fertilizer. We define the optimal necessary conditions and the adjoint problem associated to the model. Some analytical results are provided and illustrated. We extend these results within the framework of game theory, where several players are involved, and we prove the existence of a Nash equilibrium. Finally, this work is illustrated by numerical results (2D in space), produced by coupling a Mixed Finite Element scheme with a nonlinear conjugate gradient algorithm

Comme bien d'autres grandes métropoles construites sur des formations géologiques aquifères, Paris présente une situation hydrogéologique complexe et perturbée.L'imperméabilisation du sol modifie notablement la recharge naturelle des nappes qui se fait alors, principalement, par les fuites des réseaux (voirie, eau non potable, eaux usée …). L'urbanisation intense du sous-sol, qui représente plus de 30 % de la surface parisienne (hors bois de Vincennes et Boulogne), influence les écoulements des aquifères. A cela, s'ajoute le rôle des 20 à 30 millions de mètres cubes d'eau qui son prélevés annuellement dans les nappes phréatiques.Les aquifères parisiens sont surveillés par l'Inspection Générale des Carrières de Paris (Ville de Paris) grâce à un réseau de 305 piézomètres, qui suit en particulier les ouvrages à proximité de la Seine pour anticiper les conséquences d'une crue. La réalisation d'un modèle hydrogéologique du sous-sol parisien permettant d'évaluer les effets de tels évènements et tenant compte des spécificités de l'anthropisation présentait donc un intérêt.Dans cet objectif, un SIG en trois dimensions du sous-sol parisien a, en premier lieu, été construit. Il intègre plusieurs éléments :- La géologie parisienne depuis la craie campanienne jusqu'aux formations tertiaires. 20 000 sondages ont été exploités pour cela.- Les infrastructures souterraines : 20 000 parkings résidentiels et constructions en sous-sol, plus de 140 parcs de stationnement concédés par la ville de Paris, 197 km de galeries du métro souterrain et 46 km du Réseau Express Régional.- Les prélèvements d'eau, en se basant sur les prélèvements annuels déclarés (12 millions de mètres cubes).- Les données piézométriques issues de 669 piézomètres répartis sur Paris et des communes avoisinantes.Avant ce travail, il n'existait aucune représentation synthétique de l'organisation générale du sous-sol de la capitale et de ses aménagements.Un modèle mathématique hydrodynamique s'étendant sur l'emprise de la capitale et de la proche banlieue a ensuite été construit. Ce modèle multicouche comporte 11 couches alternant 6 niveaux aquifères et 5 niveaux semi perméables, discrétisées selon 607 171 mailles carrées de 50 mètres de coté. Au stade actuel, ce modèle a permis la réalisation de simulations exploratoires reproduisant en régime permanent la structure de l'écoulement dans les conditions d'aujourd'hui
Paris, as many large cities built on aquifers, shows a disturbed hydrogeological environment.Land waterproofing reduces the natural recharge of the water table, then mainly driven by sewer network leakage. Underground intensive urbanisation covering more than 30 % of the Parisian surfaces (without Vincennes and Boulogne woods) influences groundwater flow. In addition, had to be taken in consideration the 20-30 millions cubic meters of water yearly pumped from the aquifer system.Parisian aquifers are surveyed by IGC (Inspection General des Carrières) from the city of Paris, thanks to a 305 piezometers network, in particular close to the Seine river, in order to monitor and anticipate a flood event. In order to appraise such events a hydrogeological model of the Parisian underground had to be setup, including anthropic specification.To achieve this model a 3D GIS of the Parisian underground has been done, integrating several topics:- Parisian geology, including Campanian chalk and tertiary formation. 20 000 geological drillings have been used.- Underground infrastructures: 20 000 residential car parks and cellars more than 140 public car parks conceded by the city of Paris, 197 km of underground subway and 46 km of RER.- Water pumping. Only declared samples (12 millions cubic meters)- Piezometric data from 669 piezometers over Paris and neighbouring townsBefore this thesis, no synthetic representation of Paris geology and underground has been done.In a second time a mathematical model including Paris and suburbs has been built. This multilayer model consists of 11 layers interbedding, 6 aquifers level and 5 semi-permeable discretized through 607 171 square mesh (50 m side). Until now, this mathematical model allowed exploratory simulation in steady state showing flow structure of the present day hydrogeological situation

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

L'étude présentée synthétise en premier lieu les connaissances sur la géologie de l'aquifère investigué par le Site Expérimental Hydrogéologique de Poitiers et sur la structure de l'écoulement à partir de l'analyse lithostratigraphique des carottes et des données de diagraphies de puits. L'écoulement est conditionné par des structures karstiques et des fractures. Les niveaux karstiques sont contraints à l'intérieur de 3 niveaux géologiques subhorizontaux. L'interconnectivité entre ces niveaux semble être assurée par la fracturation subverticale. La caractérisation hydrodynamique des chemins d'écoulement préférentiel repose sur l'interprétation des essais par chocs hydrauliques. Un modèle a été développé, à partir de la prise en compte d'effets inertiels et d'une dimension d'écoulement non-entière. L'analyse de sensibilité montre que les deux paramètres "clé" du modèle sont la dimension d'écoulement et la conductivité hydraulique. L'interprétation des données du SEH montre une grande variabilité des valeurs de diffusivité des connexions hydrauliques. Les fortes valeurs de diffusivité permettent l'observation de réponses à grande distance du puits pompé. Les connaissances sur la géologie et la structure de l'écoulement ont été incorporées dans une modélisation du SEH basée sur une approche mixte DFN / milieu continu hétérogène. Les résultats permettent de reproduire de façon satisfaisante le comportement hydrodynamique particulier du SEH, en particulier la similitude spatiale et temporelle des courbes de rabattements
This work synthesizes knowledge about the aquifer investigated by the Hydrogeological Experimental Site of Poitiers. Flowpath structure has been identified from lithostratigraphic core analysis and borehole logging data. The flow is governed by karstic structures and fractures. Karstic levels are constrained within 3 sub-horizontal geological levels. The interconnectivity between these levels seems controlled by the sub-vertical fractures. The hydrodynamic characterization of flowpaths is based on the interpretation of slug test. A new model has been developed, which takes into account inertial effects and fractional flow dimension. Sensibility analysis shows that the two key parameters are the flow dimension and the hydraulic conductivity. The results show that diffusivity values of hydraulic connection vary over several orders of magnitude and allow hydraulic response at far observation wells. Knowledge about geology and flowpath structure is incorporated into a model of HES based on a composite approach DFN / heterogeneous continuous medium. Results allow to reproduce satisfactorily the unusual hydraulic behavior of HES, particularly the spatial and time similarity of drawdown curves

Comme bien d'autres grandes métropoles construites sur des formations géologiques aquifères, Paris présente une situation hydrogéologique complexe et perturbée.L'imperméabilisation du sol modifie notablement la recharge naturelle des nappes qui se fait alors, principalement, par les fuites des réseaux (voirie, eau non potable, eaux usée ...). L'urbanisation intense du sous-sol, qui représente plus de 30 % de la surface parisienne (hors bois de Vincennes et Boulogne), influence les écoulements des aquifères. A cela, s'ajoute le rôle des 20 à 30 millions de mètres cubes d'eau qui son prélevés annuellement dans les nappes phréatiques.Les aquifères parisiens sont surveillés par l'Inspection Générale des Carrières de Paris (Ville de Paris) grâce à un réseau de 305 piézomètres, qui suit en particulier les ouvrages à proximité de la Seine pour anticiper les conséquences d'une crue. La réalisation d'un modèle hydrogéologique du sous-sol parisien permettant d'évaluer les effets de tels évènements et tenant compte des spécificités de l'anthropisation présentait donc un intérêt.Dans cet objectif, un SIG en trois dimensions du sous-sol parisien a, en premier lieu, été construit. Il intègre plusieurs éléments :- La géologie parisienne depuis la craie campanienne jusqu'aux formations tertiaires. 20 000 sondages ont été exploités pour cela.- Les infrastructures souterraines : 20 000 parkings résidentiels et constructions en sous-sol, plus de 140 parcs de stationnement concédés par la ville de Paris, 197 km de galeries du métro souterrain et 46 km du Réseau Express Régional.- Les prélèvements d'eau, en se basant sur les prélèvements annuels déclarés (12 millions de mètres cubes).- Les données piézométriques issues de 669 piézomètres répartis sur Paris et des communes avoisinantes.Avant ce travail, il n'existait aucune représentation synthétique de l'organisation générale du sous-sol de la capitale et de ses aménagements.Un modèle mathématique hydrodynamique s'étendant sur l'emprise de la capitale et de la proche banlieue a ensuite été construit. Ce modèle multicouche comporte 11 couches alternant 6 niveaux aquifères et 5 niveaux semi perméables, discrétisées selon 607 171 mailles carrées de 50 mètres de coté. Au stade actuel, ce modèle a permis la réalisation de simulations exploratoires reproduisant en régime permanent la structure de l'écoulement dans les conditions d'aujourd'hui.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l‟analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s‟est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d‟altération et des alluvions. Tout d‟abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L‟adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le " signal géologique ", diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s‟est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d‟ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l‟information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d‟obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L‟ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée.

La vallée de la Komadougou Yobé constitue un site privilégié de recharge de l'aquifère quaternaire du bassin du lac Tchad. Depuis les années 1980, le développement des cultures de rente (p. ex. poivron) a conduit à un doublement des surfaces irriguées (1995-2005) dans sa partie aval. Afin de quantifier la recharge supplémentaire induite, une modélisation des flux hydriques verticaux dans la zone non-saturée (0-8 m) a été engagée. La première étape, objet de ce travail de thèse, consiste à décrire l'organisation spatiale et les propriétés hydrodynamiques des corps sédimentaires constitutifs de l'alluvium.Des forages à travers les formations superficielles mettent en évidence des alternances sable-sable argileux dans la totalité de la zone non-saturée, conséquence des migrations du lit mineur de la Komadougou Yobé. Le calcul de la corrélation entre les forages indique une forte analogie avec les hétérogénéités identifiées en surface à partir de données de télédétection (Landsat 7 binarisée). Ces données sont donc utilisées pour l'apprentissage de statistiques multipoints représentatives des hétérogénéités et un modèle géologique 3D de l'alluvium est généré via l'algorithme snesim.Des suivis neutroniques de l'humidité le long de plusieurs profils caractéristiques des différentes unités sédimentaires associées à ce modèle sont réalisés pour des conditions de flux contrôlées en surface. A partir de simulations numériques 1D, des jeux de paramètres hydrodynamiques permettant de reproduire les humidités mesurées sont déterminés par une approche de type Monte-Carlo. Des densités de probabilité intégrant l'incertitude sur les mesures sont obtenues pour les paramètres de Mualem - van Genuchten décrivant les courbes de rétention et de conductivité hydraulique des sédiments.Une procédure 1D-distribuée est utilisée pour simuler les écoulements non-saturés verticaux au sein de plusieurs réalisations du modèle géologique et pour différents jeux de paramètres hydrodynamiques probables. La recharge diffuse calculée se montre particulièrement sensible au paramètre de pression d'entrée d'air attribué aux dépôts superficiels, siège des principales interactions sol-plante-atmosphère, ainsi qu'aux contrastes verticaux de conductivité hydraulique
The downstream part of the Komadugu Yobe River is an important recharge area for the Lake Chad Quaternary aquifer. Since the 1980s, cash crop development (e.g. sweet pepper) has led to the doubling (1995-2005) of irrigated surfaces in the vicinity of the river. A modeling approach of vertical water fluxes through the vadose zone (0-8 m) was designed to quantify the related increase in groundwater recharge. The first step, which is the main topic of this PhD thesis, consisted in describing both spatial arrangement and hydrodynamic properties of the sedimentary bodies that make up the alluvium.Boreholes in surficial deposits highlighted sandy to clayey alternations within the whole unsaturated zone; this was interpreted as the result of frequent migrations of the River channel. Spatial correlation between bore logs showed strong similarities with heterogeneities depicted on ground by means of remote sensing data (binarized Landsat 7 image). This data were therefore used to train multiple-point statistics representative of heterogeneities, and a 3D geological model was generated through the snesim algorithm.For each representative sedimentary unit, soil moisture under controlled hydraulic surface conditions was monitored by vertical neutron probe soundings. Using 1D numerical simulations, different data sets of hydrodynamic properties that reproduced moisture measurements were determined by a Monte-Carlo approach. Probability density functions including measurement uncertainties were deduced for the Mualem - van Genuchten parameters which describe both retention and hydraulic conductivity curves.A 1D-distributed procedure was applied for modeling vertical flows in the unsaturated zone within several geological model realizations with different probable sets of hydrodynamics parameters. The simulated diffuse recharge was shown to be particularly sensitive to two main parameters: air-entry pressure linked to superficial deposits, where soil-plant-atmosphere interactions do occur, and vertical hydraulic conductivity contrasts within the alluvium

Située à l'interface entre les eaux de surface et les eaux souterraines, la zone hyporhéique (ZH) est depuis maintenant plusieurs décennies considérée comme une zone cruciale pour la préservation des milieux aquatiques. Elle constitue souvent un indicateur fiable de la bonne qualité des eaux et une niche écologique primordiale pour de nombreuses espèces. Mais elle est aussi le lieu d'interaction entre deux masses d'eau de signature différente, ce qui conduit à la formation d'un milieu extrêmement fragile et siège d'un grand nombre de réactions biogéochimiques. L'objectif principal de cette thèse est de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique des échanges au sein de la zone hyporhéique. L'approche de cette problématique s'est faite sous un aspect innovant en couplant une démarche hydrogéologique "classique" à l'aide de mesures hydrodynamiques et géochimiques, et l'utilisation de la tomographie de résistivité électrique (ERT). Plusieurs campagnes de terrain ont été menées sur la rivière Essonne, choisie comme lieu d'expérimentation. Différents outils de prélèvement et/ou de mesure ont été mis en place et un grand nombre de mesures à différentes périodes de l'année ont été réalisées. Des expériences assez techniques et innovantes de suivi d'un abaissement et relèvement de barrage, ainsi qu'un traçage artificiel au sel ont pu être effectués grâce à la collaboration avec le syndicat chargé de la gestion et l'aménagement d'une partie du réseau hydrographique de l'Essonne (SIARCE). En parallèle avec cette étude expérimentale, une maquette numérique 3D de la zone d'étude a été réalisée à l'aide du logiciel HydroGeoSphere. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques les plus importants et de quantifier leur impact sur la formation et l'évolution de la zone hyporhéique. Finalement, les premières simulations des expériences menées sur le terrain ont permis de confronter l'approche expérimentale et l'approche théorique
The Hyporheic Zone (HZ) is located at the interface between surface water and groundwater. For several decades it is considered as a hotspot for the development of a rich aquatic environment in rivers. Its system is often considered as a reliable indicator for water quality and a primary ecological niche for many species. From a hydrological point of view, it is also the place of interaction between two distinct water bodies with different geochemical signatures. This place of mixing forms a very fragile equilibrium where many biogeochemical reactions can occur. The objective of this thesis is to reach a better understanding of mixing and water fluxes in a dynamic context within the hyporheic zone. An innovative method was used by coupling a "classic" hydrogeological approach with hydrodynamic and geochemical measurements with Electrical Resistivity Tomography (ERT). Several field campaigns were done on the Essonne river as experimental site. A large number of measurements were done at various periods of the year and field equipment for water sampling and measurements were installed during these three years. Technical and innovative experiments were conducted such as a dam lowering and rising and an artificial salt tracer test in collaboration with the federation in charge of organization and management of the Essonne network. Finally, a 3D-model of the studied area was built with the HydroGeosphere software. The main hydrodynamic parameters have been tested in order to understand their impact and their variation in a static or dynamic environment on the hyporheic system and its development. In addition, field experiments were reproduced to compare the experimental and theoretical approach

Les eaux souterraines constituent une réserve d’eau potable non négligeable, leur alimentation se fait en majeure partie par les précipitations, appelée recharge des nappes. Du fait de leur grande importance, la compréhension du fonctionnement de ces ressources en eau est plus que jamais indispensable. Celle-ci passe par l’élaboration de modèles mathématiques. Ces outils nous offrent une meilleure appréhension et une bonne prévision des phénomènes physiques. Les systèmes hydrogéologiques sont généralement très complexes et caractérisés par des dynamiques hydriques très variables dans le temps et dans l’espace. Cette complexité a attiré l’attention de nombreux hydrogéologues et un grand nombre de modèles très sophistiqués a été développé afin de décrire ces systèmes avec précision. Cependant, la prise en compte de la recharge de ces réservoirs reste toujours un défi dans la modélisation hydrogéologique. En effet, le plus souvent, les modèles hydrogéologiques simulent l’écoulement dans la nappe tout en considérant la recharge comme une constante sur le domaine et indépendante du système. De plus, elle est souvent calculée de façon simplifiée. Or, la recharge traduisant la quantité des précipitations atteignant les nappes est une composante hydrologique complexe et variable car elle interagit avec les nappes et dépend des conditions climatiques, du couvert végétal et du transfert de l’eau dans le sol. Ce présent travail vise à intégrer cette recharge variable et complexe aux modèles hydrogéologiques. À cet effet, un modèle couplé a été développé. Une première partie de ce modèle permet de calculer la recharge des nappes en modélisant les interactions précipitations-sol et l’hydrodynamique dans le sol. Cette modélisation a été effectuée en utilisant des modèles conceptuels simples basés sur des lois empiriques (Gardénia, Nash) et des modèles physiques résolvant l’équation de Richards. La recharge ainsi calculée est intégrée à la deuxième partie du modèle simulant l’hydrodynamique dans les nappes décrite par l’équation de diffusivité. Des méthodes numériques précises et robustes ont été utilisées pour résoudre les équations du modèle mathématique : les éléments finis non conformes ont été utilisés pour résoudre l’équation de diffusivité et l’équation de Richards est résolue sous sa forme mixte par une méthode itérative en temps. En somme, ce modèle couplé permet de décrire les variations de niveaux de nappe à partir des données météorologiques connaissant les paramètres caractéristiques de cet aquifère. [...]
Groundwater is the main available water resource for many countries; they are mainly replenished by water from precipitation, called groundwater recharge. Due to its great importance, management of groundwater resources is more essential than ever, and is achieved through mathematical models which offer us a better understanding of physical phenomena as well as their prediction. Hydrogeological systems are generally complex thus characterized by a highly variable dynamic over time and space. These complexities have attracted the attention of many hydrogeologists and many sophisticated models that can handle these issues and describe these systems accurately were developed. Unfortunately, modeling groundwater recharge is still a challenge in groundwater resource management. Generally, groundwater models are used to simulate aquifers flow without a good estimation of recharge and its spatial-temporal distribution. As groundwater recharge rates show spatial-temporal variability due to climatic conditions, land use, and hydrogeological heterogeneity, these methods have limitations in dealing with these characteristics. To overcome these limitations, a coupled model which simulates flow in the unsaturated zone and recharge as well as groundwater flow was developed. The flow in the unsaturated zone is solved either with resolution of Richards equation or with empirical models while the diffusivity equation governs flow in the saturated zone. Robust numerical methods were used to solve these equations: we apply non-conforming finite element to solve the diffusivity equation and we used an accurate and efficient method for solving the Richards equation. [...]

Lors de la construction de l'autoroute A31 (Nancy-Metz) d'importants travaux de drainage furent exécutés au droit du lieu-dit Chateau-sous-Clevant (Meurthe-et-Moselle) pour assurer la stabilité du remblai autoroutier construit sur un versant instable. Ce mémoire présente une nouvelle étude du site, entreprise afin de définir ce que pourrait être, aujourd'hui, une méthodologie adaptée à ce type de problèmes. Il est proposé une étude géologique et structurale à grande échelle, une étude de la piézométrie reposant sur l'analyse de mesures anciennes ainsi que sur un suivi des variations du champ des pressions interstitielles. Les résultats ont été synthétisés au travers d'une modélisation numérique des écoulements et ont permis de proposer une explication générale des phénomènes qui engendrent l'instabilité

Le karst de la craie des plateaux de Haute-Normandie comprend dans sa partie supérieure une zone épikarstique avec les formations résiduelles à silex recouvertes par une couverture de loess du Quaternaire. Des plateaux au relief monotone, profondément incisés par les vallées, occupent plus de 80% des surfaces des bassins versants et sont affectés par la présence de nombreux points d'engouffrement rapide des eaux : dolines, régionalement appelées bétoires. L'aquifère de la craie constitue donc un bon exemple d'aquifère karstique sous couverture dont les modalités de recharge sont complexes et les ressources en eaux soumises à l'impact du soutirage des formations superficielles et de l'érosion des sols. Les principaux objectifs de ce travail de thèse sont, d'abord, de comprendre les mécanismes de karstogenèse à l'origine des bétoires et des réseaux karstiques en définissant l'influence de l'organisation morphostructurale des plateaux sur les modalités de recharge de l'aquifère de la craie. L'ambition est ensuite de calibrer une modélisation de l'évolution spatiale de la piézométrie, prenant en compte la transformation du signal climatique en fonction des caractéristiques du système d'introduction épikarstique et du contexte morpho-structural régional. Dans ce projet de thèse, nous avons tout d'abord, déterminé les zones sensibles aux développements de bétoires (karst d'introduction), ensuite, nous discutons de l'importance des connexions entre le karst d'introduction et le karst de restitution, en identifiant notamment, l'évolution spatiale de la part des transferts karstiques rapides dans les écoulements amont-aval de l'aquifère au sein des signaux hydrologiques régionaux. Parallèlement, nous avons étudié le transfert dans la zone épikarstique, en se focalisant notamment sur le rôle des formations superficielles et des bétoires dans les processus de recharge de l'aquifère de la craie. Les variations des signaux hydrologiques sont aussi analysées en regard du rôle d'autres paramètres hydrogéologiques, à savoir la puissance de l'aquifère et le contexte morpho-structural à l'aide d'outils variés d'analyse statistique. Dans ce contexte, nous démontrons l'hétérogénéité introduite par le drainage karstique dans la zone saturée sur l'organisation des écoulements souterrains ainsi que l'influence des gradients hydrauliques sur les écoulements en analysant la variation spatio-temporelle des concentrations en nitrates des eaux souterraines. Enfin, ces résultats ont été déployés pour discuter et adapter un modèle régional distribué en régime permanent (reproduction de la carte piézomètrique de 2006) en utilisant le modèle MARTHE, modèle à différences finies (©BRGM). Les premiers résultats obtenus sont satisfaisants, ils ont été améliorés en utilisant les résultats d'un modèle global à réservoirs, le modèle GARDENIA (©BRGM) performant à l'échelle des bassins versants.

Ce manuscrit de thèse présente une nouvelle approche pour caractériser qualitativement et quantitativement la localisation et les propriétés des structures dans un aquifère fracturé et karstique à l’échelle décamétrique. Cette approche est basée sur une tomographie hydraulique menée à partir de réponses à une investigation de pompages et interprétée avec des méthodes d’inversions adaptées à la complexité des systèmes karstiques. L’approche est appliquée sur un site karstique d’étude expérimental en France, une première fois avec des signaux de pompage constants, et une deuxième fois avec des signaux de pompage harmoniques. Dans les deux cas, l’investigation a fourni des réponses de niveaux d’eau de nappe mesurés pendant des pompages alternés à différentes positions. L’interprétation quantitative de ces jeux de réponses consiste à les reproduire par un modèle avec un champ de propriété réaliste adéquat généré par inversion. Les méthodes d’inversions proposées dans ce manuscrit permettent de reconstruire un champ de propriétés hydrauliques réaliste en représentant les structures karstiques soit par un réseau généré par automates cellulaires, soit par un réseau discrétisé. Les résultats d’interprétations obtenus sur le site d’étude expérimental permettent d’imager les structures karstiques sur une carte et de « lire » leur localisation. De plus, les résultats obtenus avec les réponses à des pompages harmoniques tendent à montrer le rôle de la fréquence du signal sur les informations portées par les réponses. En effet, les fréquences plus élevées caractérisent mieux les structures les plus conductrices, alors que les fréquences plus faibles mobilisent des écoulements également dans des structures karstiques moins conductrices
This thesis manuscript presents a novel approach to characterize qualitatively and quantitatively the structures localization and properties in a fractured and karstic aquifer at a decametric scale. This approach relies on a hydraulic tomography led from responses to a pumping investigation and interpreted with inversion methods adapted to the complexity of karstic systems. The approach is applied on a karstic experimental study site in France, a first time with constant pumping signals, and a second time with harmonic pumping signals. In both applications, the investigation resulted in groundwater level responses measured during alternated pumping tests at different locations. The quantitative interpretation of these sets of responses consists in reproducing these responses through a model with an adequate realistic property field generated by inversion. The inversion methods proposed in this manuscript permit to reconstruct a realistic hydraulic property field by representing the karstic structures either through a network generated by cellular automata, or through a discretized network. The interpretation results obtained on the experimental study site permit to image the karstic structures on a map and to‘read’ their localization. Furthermore, the results obtained with the responses to harmonic pumping tests tend to show the role of the signal frequency on the information carried by the responses. In fact, higher frequencies better characterize the most conductive structures, while lower frequencies mobilize flows also in less conductive karstic structures

À l’échelle mondiale, des enjeux socio-économiques majeurs reposent sur les systèmes karstiques, tant pour l’alimentation en eau potable des populations que pour l’exploitation des gisements auxquels ils sont associés. Ces systèmes sont définis, par De Marsily (1984), comme des milieux dans lesquels « l’hétérogénéité atteint son paroxysme » : les modelés physiques caractérisant le karst sont particulièrement variés et les réponses hydrodynamiques sont indéniablement complexes et non-linéaires. Aujourd’hui, il n’est toujours pas possible de définir précisément l’organisation des hétérogénéités de ces aquifères bien que de nombreuses études aient été menées sur leur fonctionnement global. Ces dernières s’appuient sur les seules informations généralement disponibles sur ces systèmes : les précipitations sur le bassin versant étudié, les débits relevés à l’exutoire, des suivis ponctuels de niveau d’eau, de concentration ou de turbidité, et des estimations locales de propriétés hydrodynamiques telles que la conductivité hydraulique de l’aquifère ou le coefficient d’emmagasinement. Dans ce contexte, les méthodes d’analyse de séries temporelles hydrologiques enregistrées à des exutoires karstiques ont été largement exploitées dans le but d’interpréter le fonctionnement hydro(géo)logique de ces hydrosystèmes. Ce travail de thèse a exploré les potentialités de ces méthodes d’analyse du signal hydrologique comme aide à l’interprétation et à l’inférence des caractéristiques physiques et hydrogéologiques (géométries de réseaux karstiques, échanges entre réseaux et matrice poreuse environnante, modes de recharge diffus ou concentré). L’étude a été basée sur le couplage entre la modélisation directe d’écoulements sur des systèmes karstiques synthétiques, et le traitement statistique et spectral des signaux simulés. Les domaines modélisés ont été construits avec différents degrés de complexité : depuis des cas arbitraires très simples à des cas complexes correspondant à des systèmes réalistes. Les écoulements dans ces réseaux synthétiques ont été simulés avec le modèle hydrogéologique à base physique développé par le BRGM, MARTHE (Thiéry, 2015), et plus particulièrement grâce au module « Drains-Conduits » permettant de coupler matrice, conduits karstiques et échanges entre ces deux entités. Les méthodes de traitement du signal utilisées ont permis de comparer les propriétés statistiques et spectrales d’un signal climatique (précipitations) avec celles des débits simulés, et de comprendre comment celles-ci sont dépendantes des propriétés hydrauliques et physiques imposées dans les domaines. Même si les fonctions d’auto- ou d’inter-corrélation peuvent présenter des comportements globalement similaires (e.g. « effets-mémoire » ou temps de décorrélation similaires pour des géométries karstiques ou propriétés d’échanges matrice-conduits différentes), des différences en apparence subtiles et statistiquement significatives permettent de distinguer les comportements plus ou moins karstiques des domaines modélisés. En domaine spectral, tous les modèles se différencient par leur comportement scalaire et notamment par différentes gammes d’invariance d’échelle temporelle. Celles-ci traduisent les différentes modalités de filtrage du signal d’entrée par l’hydrosystème, et caractérisent donc différentes modalités d’écoulement. L’utilisation de méthodes de décomposition par ondelettes discrètes permet finalement de reconstruire la variabilité hydrodynamique associée à ces modalités d’écoulement, achevant ainsi une décomposition statistique de l’hydrogramme à l’exutoire
Globally, major socio-economic challenges lie on karst systems, both for drinking water supply to populations and for deposits exploitation. Karst systems are defined, by De Marsily (1984), as environments in which "heterogeneity reaches its paroxysm": the physical patterns characterizing karst domains are particularly varied and the hydrodynamic responses are undeniably complex and non-linear. Today, it is still not possible to precisely define the heterogeneities organization of these aquifers although many studies have been carried out on their overall functioning. These studies are based on the only information generally available on these systems: precipitation on the studied watershed, flow rates recorded at the outlet, well-located monitoring of water levels, concentrations or turbidity, and local estimated hydrodynamic properties such as the hydraulic conductivity of the aquifer or the storage coefficient. In recent years, several works have shown the interest of applying correlative and spectral analyzes on time series recorded on karst systems in order to interpret them hydro(geo)logical functioning. This thesis work explored the potential of this hydrological signal analysis methods as an aid to the interpretation and inference of physical and hydrogeological characteristics (karst networks geometry, exchanges between conduit networks and the surrounding porous matrix, recharge mode including diffuse and point-source one). This study was based on a coupling approach of direct modeling flows through synthetic karst systems, and the statistical and spectral processing of these simulated signals. The modeled domains were built according to different complexity degrees: from very simple arbitrary cases to complex cases corresponding to realistic systems. The flows in these synthetic networks were simulated with the physics-based hydrogeological model developed by the BRGM, MARTHE (Thiéry, 2015), and more particularly thanks to the “Drains-Conduits” package allowing to couple matrix, karst conduits and exchanges between these two entities. The employed signal processing methods compared the statistical and spectral properties of a climatic signal (precipitations) with those of the simulated discharges. They also give an understanding of how these properties vary according to changes in the domains hydraulic and physical characteristics. Even if the auto- and cross-correlation functions may exhibit almost similar behaviors (i.e. similar “memory effects” or decorrelation times, for different karst networks or matrix/conduit exchange properties), subtle but statistically significant differences allow the distinction between the karstification degree of the modeled domains. The scalar behaviors, and more particularly the different ranges of time scale invariance, can be used to distinguish the models in the spectral domain. These spectral properties reflect the possible filtering of the input signal by the considered hydrosystem, and therefore express different flow kinetics. Using discrete wavelet decomposition methods ultimately allows to reconstruct the hydrodynamic variability associated with these flow kinetics, completing thus a statistical decomposition of the hydrograph at the outlet

Les tourbières holocènes des marais du Cotentin reposent sur des bassins sédimentaires sableux aquifères (K = 10-3 – 10-4 m.s-1) dont l'exploitation AEP crée des conditions hydrogéologiques variables dans le temps et dans l'espace sur un site donné. Deux années de suivi hydrogéologique et hydrochimique, ainsi qu'une modélisation hydrogéologique du fonctionnement de la zone humide ont permis de montrer que :
- Le fonctionnement hydrologique de la tourbière est contrôlé par celui de l'aquifère des sables et l'existence même de la tourbière est directement liée à sa présence ;
- Les conditions hydrologiques influencent directement la variabilité spatio-temporelle des conditions redox du milieu et donc les réactions biogéochimiques mises en jeu dans la tourbière ;
- La modélisation de la zone humide a mis en évidence la sensibilité et la vulnérabilité de ces écosystèmes à la pression anthropique (pompage) et/ou l'évolution globale du climat.

La stratigraphie et la sédimentologie des dépôts quaternaires ont une grande influence sur l’écoulement de l’eau souterraine dans les aquifères de ces milieux. La description et la détermination des unités, lithofaciès ou hydrofaciès, deviennent donc importantes dans les travaux de terrain lors de l’étude et de la caractérisation d’un aquifère dans ces milieux. Diverses classifications utilisées dans le domaine de l’eau souterraine ont été étudiées pour suggérer des modifications et même une nouvelle classification dans le cas des hydrofaciès. La construction de modèles conceptuels 3D d’aquifères constitue un défi important surtout dans les dépôts quaternaires qui présentent une structure interne complexe. La complexité des agencements hydrostratigraphiques nécessite souvent un certain niveau de simplification stratigraphique et structurale pour incorporer ceux-ci dans des modèles 3D numériques d’écoulement souterrain. Les effets de simplifications hydrostratigraphiques, utilisant la conductivité hydraulique équivalente, sur la précision des modèles numériques d’écoulement souterrain 3D sont évalués à partir d’un exemple. Pour construire le modèle détaillé de l’aquifère du bassin versant de la rivière Mistouk (Saguenay-Lac-Saint-Jean, Québec), des données existantes ainsi que de nouvelles données ont été utilisées. Les résultats des simulations numériques d’écoulement à partir du logiciel Feflow pour les différents modèles simplifiés montrent qu’il est possible, avec limitations, de simplifier un modèle hydrostratigraphique 3D. Le degré de justesse des modèles dépend du degré de simplification adopté, mais les résultats suggèrent que la variabilité des résultats obtenus reste modérée. La méthodologie de simplification hydrostratigraphique pour la réalisation de modèles numériques d’écoulement pourra être adoptée pour la simulation des écoulements souterrains dans d’autres contextes d’aquifères de dépôts et devrait ainsi être utile pour les modélisateurs.

Cette étude s'inscrit dans le cadre des travaux de caractérisation des eaux souterraines visant une meilleure connaissance de leur dynamique à l'échelle des principaux bassins versants du Québec. Ce mémoire présente un nouveau cadre géologique Quaternaire pour les bassins versants de la zone Bécancour. Les objectifs principaux de cette étude consistaient à compiler et refaire les levés des cartes géologiques des dépôts quaternaires en y intégrant les critères de la nouvelle légende de la Commission géologique du Canada, et à initier une étude exhaustive de la distribution en sous-surface des dépôts meubles à l'échelle du bassin versant. Au final, un modèle tridimensionnel hydrostratigraphique a été produit à titre de contribution à la modélisation hydrogéologique de cette région. Un large corpus de données sur la géologie et la géomorphologie des sédiments de surface a été colligé puis validé lors des levés de terrain grâce à plus de 3100 sites d'observation, suivi d'une phase extensive de photo-interprétation à l'échelle 1:40 000 afin de couvrir l'entièreté du bassin versant. Une étude détaillée de la stratigraphie a permis d'établir l'architecture verticale et l'extension régionale des dépôts quaternaires, tout en caractérisant ces derniers selon leurs propriétés hydrauliques (conductivité hydraulique, porosité et compacité). Les descriptions détaillées de plus de 60 coupes situées le long des principales rivières, conjuguées à l'interprétation de plus de 1000 forages provenant de diverses sources, à l'analyse de profils de résistivité apparente et à l'utilisation d'outils géochronologiques, ont servi à replacer certaines unités problématiques dans le cadre stratigraphique régional tout en permettant de préciser ce dernier. Les analyses géochronologiques réalisées grâce à la luminescence stimulée par infrarouge (IRSL) ont également permis de faire une distinction selon les âges obtenus entre deux unités sableuses potentiellement aquifères dont l'extension spatiale était jusqu'ici mal contrainte. En effet, des âges IRSL de 79 ± 4 ka pour des sédiments associés au Sables de Lotbinière et de 44 ± 3, 49 ± 4 et de 50 ± 4 ka pour les Sables des Vieilles-Forges ont permis de préciser le cadre chronostratigraphique de la partie centrale des Basses-Terres du Saint-Laurent. Les données recueillies ont grandement permis de déterminer l'extension des dépôts quaternaires et leur connexion avec la surface et la zone de recharge, deux autres éléments importants pour les études hydrogéologiques dans la région. La cartographie, la succession lithostratigraphique et la géochronologie ont permis d'élaborer un solide modèle hydrostratigraphique 3D qui forme le squelette utilisé dans la construction du modèle d'écoulement des eaux souterraines. Les résultats obtenus suite aux travaux menés sur les bassins versants de la zone Bécancour sont donc considérés comme des éléments clés de cette étude hydrostratigraphique à l'échelle régionale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Géologie, Quaternaire, Bécancour, Hydrostratigraphie, Luminescence